探析地铁整流系统中的谐波及其消除
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摘要：近年来，随着我国城市轨道交通的不断发展，地铁随之增多。通常情况下，地铁中都会设置整流系统，其主要起交直流电的转换作用。然而，整流系统中经常会产生各种谐波，这些谐波电流会对电网造成一定程度的影响。所以，必须采取相应的措施予以消除。基于此点，本文首先对谐波产生的主要原因进行分析，进而阐述了地铁整流系统中谐波的危害，并在此基础上提出抑制及消除地铁整流系统中谐波的具体措施。
关键词：地铁；整流系统；谐波
中图分类号：TG333.11文献标识码：A
当前，我国各大城市电网的交流输送电压均为10～35kv，而地铁机车一般使用的是1500V的直流电压，所以这样的电压等级无法满足地铁机车运行的要求。因此，必须通过加装整流系统将交流电压转换为直流电压。虽然整流系统对于地铁起着较为重要的作用，但是大功率的整流装置也会产生出大量的谐波电流，从而严重影响了电网的供电质量。为此，必须针对这一问题采取相应的治理措施予以解决。本文就地铁整流系统中的谐波及其消除展开探讨。
1谐波产生的主要原因分析
通常情况下，可以按照富氏的变换原理推导出各种特征次谐波，并进行定量的分析及计算，但就各种非特征次谐波而言，却很难对其进行定量计算，就起根本是由于其产生的原因相对较多，并且控制参数过多，从而使得分析过于困难，所以仅能通过局部进行定量分析。地铁的供电系统一般都属于阻感负荷，并且为了精确还考虑了脉动这一影响因素。基于上述情况的考虑，下面对谐波产生的原因进行详细分析：其一，交流侧电源电压不存正导致的谐波。交流侧电源电压的主要来源是国家电网，从而使得其质量多数受不同电源的影响。因电网具有一定的复杂性，无可避免的会发生三相不对称的现象，加之受其他负荷的影响，也会产生不同的谐波；其二，各相交流侧的阻抗不完全相等。这种情况基本和交流侧三相电压不对称造成的非特征次谐波性质类似；其三，直流侧容易受负载的影响，并且平均电流也不恒定。由于地铁动车组采用的大多是异步交流电动机，当电流通过接触线、直流馈线等传送至车上的各个电机时，会发生逆变，其性质属于逆变器负载。所以，直流侧会受到负载的影响，从而导致交流侧出现非特征次谐波。若直流侧注入一个小的谐波，则会在交流侧产生出其它次的谐波；其四，三相的触发电路不对称，并且间隔不相等。虽然地铁整流系统采用了不可控方式，但仍旧存在出发延迟的可能，这是因为整流系统的二极管性能不可能全部一致，工作状态也都不相同；其五，设备误差。除了上述几点原因会导致谐波的产生外，设备本身问题也是一个比较重要的原因。大多数的整流变压器基本采用的都是多相整流电路，变压器也比较特殊。由于匝数的取值一般都为整数值，所以很容易出现误差，进而导致负荷不平衡产生谐波分量。
2地铁整流系统中谐波的危害
谐波会对地铁系统造成如下影响及危害：
2.1谐波对变压器的危害
谐波电流会在一定程度上使变压器铜损和铁损有所增加，从而导致温度升高并且还会产生出噪音。随着变压器损耗的不断增加，绝缘介质也会随之加速老化，从而严重影响其使用寿命。在地铁的低压配电系统中，配变基本采用的都是星形或三角形的接线方式，这种接线方式为零序谐波在变压器一次侧绕组中提供了有效地环流通路，使得3次谐波向电源端的传导受到不同程度的抑制。然而，这种接线方式却不能完全阻止其它频次谐波传导至电源端内。无论谐波是否传送至电源端，只要谐波电流产生就会使变压器的损耗增加。
3.2谐波对电动机的危害
谐波电流会造成电动机利用率下降、损耗增大。当电动机的损耗增加时，电动机内部线圈的温度会随之升高，从而使其使用寿命下降。其中负序谐波对电动机造成的危害最为严重。负序谐波中较为典型的应属5次及11次谐波，它们产生的法相旋转磁场会造成电动机的转矩降低，并且还会和正序分量一起致使电动机出现抖动，伴随着抖动会产生出一定的噪音。由于谐波电流会造成电动机实际功率降低，为确保电动机的输出功率正常，就必须增大输入电流，这样一来势必会导致功率损失及温度升高，最终影响电动机的使用寿命。
3.3谐波对电容器的危害
为了有效提高配电变压器以及功率因素的利用效率，一般会在降压变电所的母线上设置电容器集中补偿柜。并联电容器的容抗能力会伴随电流频率的增大而降低，进而使电容器所产生的组队谐波电流因其自身的低阻抗特点而吸收谐波，这样一来电容器就具备了滤波效能。谐波电流极有可能造成电容器发热现象，严重时会击穿绝缘。此外，在谐振发生时，会产生高谐波电流，从而加剧绝缘的损害程度。
3.4谐波对电线电缆的危害
零序谐波电流可以叠加于中性线上，所以在通信系统、照明系统、自动售票系统以及信号系统等供电电缆选择上，应选用相线和中性线等截面的电缆。由于交流电流具有集肤效应，所以导致高次谐波会造成电线电缆温度升高、阻抗增加和损耗加大的问题，严重时甚至会致使绝缘损坏而引发事故危机。 4抑制及消除地铁整流系统中谐波的具体措施
通过对滤波产生的原因进行分析不难看出，想要采取定量的分析各种滤波是十分困难的，主要原因是影响谐波的可控制变量过多。所以解决地铁整流系统中谐波，就必须根据系统的实际情况，采取有针对性的抑制措施。目前，由于很难对我国电力系统中的谐波参数以及背景谐波进行分析。因此，在谐波影响评估方面基本都是采用模拟计算的方法进行的，工程在投入运行前后，对谐波电流以及电压实测结果进行分析计算，并根据线路的实际运行情况，进行技术性和经济性比较，最终确定出降低谐波影响最为有效的措施。下面笔者介绍几种抑制地铁整流系统中谐波的措施，相关单位可根据自身的具体情况，有针对性地进行选择。
4.1采用整流机组和三相整流变压器 采用具有高脉波数的整理机组以及拥有Y/或/Y接线的三相整流变压器是有效消除地铁整流系统谐波的重要措施。由于Y/或/Y接线能够对3的整数倍谐波具有消除作用，这样一来在整流系统中的谐波电流只会剩下5、7、11、13等奇次谐波。整流机组所输出脉波数与其产生的高次谐波次数息息相关，所以，在较为理想的环境下，通过整流机组作用而产生的谐波电流次数为n=K*P±1，其中P表示为整流机组脉波数，K表示为整数，由此可以得出高次谐波的次数必然为整流机组脉波数的倍数。因此，只要提高整流机组脉波数，就会减少较低次谐波数，为了有效降低谐波数量和种类，可采用高脉波数整流的方式予以实现。例如，24脉波整流机组与12脉波整流机组相比，其产生的谐波明显减小，并可以减少80%以上的11、13次谐波，但是与此同时也存在弊端，其产生的23、25次谐波的含量大。由于整理机组产生的较高谐波次数与电缆特性参数、设备参数、谐波传输路径以及供电网络构成等方面有着密切的联系，所以采用此方法消除地铁整理系统谐波时应结合实际供电网络状况，多次反复进行谐波仿真计算，并对计算结果进行科学分析和比较。 4.2设置交流滤波器 在地铁整流系统中的谐波源产生处安装交流滤波器是当前最为重要的谐波抑制方法，该方法通过将谐波电流吸收在滤波器中，以控制注入电网中的谐波不超过国际限值。交流滤波器可分为有源交流滤波器和无源交流滤波器，当前被广泛使用的是无源交流滤波器，其具备操作技术稳定、设备安装简单的优势，能够有效消除3、5次谐波。
4.3加装有源谐波器
有源谐波器又被称为APF，其最大的优点是有效地克服了传统滤波器仅能固定在某些谐波频段上的缺点。其通过对由分线性负载产生出来谐波电流进行采样分析，并建立频谱图，再以此图作为依据向电网侧传送一个与之相反的谐波，以此来抑制谐波。有源谐波调解器就是按照这一原理研制出来的，其能够对2-25范围内的所有谐波均起到抑制作用。并且还能够根据电网的实际情况调整电压与电流波形的相位角，从而修正电流波形，是功率因数有所提高，降低谐波对电网的干扰。
4.4滤波器与有源谐波器相结合抑制谐波
这种方法实质上属于一种动态的抑制方法，并且它还是智能化的处理方法，其在地铁整流装置谐波问题的处理上较之其他方法更为有效。尤其是在对一些瞬态及暂态谐波处理上作用更加明显。另外，这种方法对于短期远行模式下产生的谐波及非特征次谐波均有很强的抑制作用，也就是采用滤波器和有源谐波器相结合后，不仅能够对各种来源不明的谐波进行监测及抑制，而且控制目标更具针对性，这种方法必然会成为未来主要的发展趋势。两种设备相结合最大的好处就是能够既发挥出滤波器应有的功能，也可以降低APE的容量，进而提高其工作效率和质量。
结论：
总而言之，整流系统在整个地铁当中扮演者十分重要的角色，其重要也是不言而喻的。但在使用整流系统的同时，谐波的问题也是不容忽视。为了使整流系统的作用最大化，必须采取有效地措施消除其中的谐波电流，这样不仅能够提高地铁机车的工作效率，而且也能在一定程度上降低其对电网供电质量的影响。
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