城市轨道交通牵引供电系统谐波分析及治理

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摘要：针对城市轨道交通供电系统,对系统产生的谐波类型进行了分析,指出了谐波的危害性,分析其特征，并针对谐波源的危害提出了治理及处理的意见。

关键词：城市轨道交通、供电系统、谐波、治理

中图分类号：C913文献标识码： A

一、前言

城市轨道交通供电系统主要分为三个部分：中压环网系统、牵引供电系统、动力照明系统。中压环网系统是指城市轨道交通电力能源，城市轨道交通牵引供电电源一般取自城市电网。因此,城市电网或区域电力网的结构必将对城市轨道交通供电系统起着决定性的作用。牵引供电系统是整个城市轨道交通供电系统的核心，为整个城市轨道交通车辆提供电能。动力照明系统主要是为照明设施、通风、排水、制冷设施输送电能，起到降压、分配和输送电能的作用。

城市轨道交通牵引供电系统采用整流机组向机车组提供直流电源,是主要的谐波源，动力照明系统是第二大谐波源。当谐波含量超过一定范围时,对国家电力系统、城市轨道交通动力照明系统及中压环网系统可能产生以下主要危害：

(1) 可能使电力系统的继电保护设备和自动装置产生误动或拒动,直接危及电网的安全运行,严重时造成系统崩溃、用户停电事故；

(2) 使各种电气设备产生附加损耗和发热,使电机产生机械振动及噪声。谐波使无功补偿电容器和其它电气设备因谐振或谐波放大使其熔丝经常熔断而无法运行,严重时使电容器产生噪音、振动,并使其过热、过电压而损坏；

(3) 谐波电流在电网中流动,作为一种能量,最终要消耗在线路及各种电气设备上,从而增加损耗,影响电网及各种电气设备的经济运行；

(4) 由于电网中谐波电流的存在,通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用,对周围的通信系统产生干扰,从而降低信号的传输质量。高次谐波对通信线路和控制信号产生电磁和射频干扰；

(5) 谐波使电网中广泛使用的各种仪表,如电压表、电流表、有功及无功功率表、功率因数表、电能表等产生误差。

二、城市轨道交通牵引供电系统谐波分析

1、谐波产生的原因

高次谐波产生的原因主要是由于电力系统中存在非线性元件及负载,如：电容性负载、感性负载及开关变流设备,诸如电动机、整流装置等。由于其为储能元件或变流装置,故使电压、电流波形发生畸变。城市轨道交通供电系统的谐波主要由城市轨道交通牵引供电系统中的整流机组产生的。此外,由于整流机组的24脉波整流方式,产生非特征次谐波。

理想情况下,对于24脉波整流方式,网侧电流中只含有23和25次及以上特征谐波。实际上由于各种非理想因素的存在,不可避免地产生非特征次数的谐波。24 脉波整流方式,网侧电流中还含有5、7、11、13、23和25次谐波,按照整流器厂家和电力工业部电气设备质量检测测试中心测试报告中提供的数据,对24脉波整流机组而言,23次谐波最大,其次为25次、5次、7次、11次及13次。

由于城市轨道交通供电系统含有大量的电力电子设备,他们不仅消耗大量的无功功率,同时也产生大量的谐波、如整流器。此外,系统中广泛应用的大量家用电器的电源、各种消防设备、环控设备、自动售检票系统的电源设备、变压器、荧光灯等,在工作过程中都产生大量的谐波。这些谐波不仅会影响邻近的其它设备的正常工作,也会对大电网造成影响。一般认为,城市轨道交通供电系统的谐波源主要来源于向车辆供电的牵引供电系统,其次是来自于其它设备,如各种各样的电视机、监控机、计算机等,由于其内部都含有开关电源,因而其谐波污染也越来越严重, 须引起足够的重视。

2、谐波影响的分析和建议

如果各牵引变电所均采用 24 脉波整流机组,并在远期高峰小时最大负荷及电力系统最小运行方式条件下进行谐波电流计算,由牵引供电系统注入10kV侧的各次谐波电流值不超过国标允许值,同时10kV侧的总谐波压畸变率THD也不超过国标允许值。虽然如此,仍建议设置或预留设置滤波装置。主要原因如下：

(1)尽管计算的各次谐波电流值不超过国标允许值,总谐波压畸变率 THD 也不超过国标允许值,但是以上的计算是在假设系统条件下的估算结果,随着城市电网的发展,系统谐波阻抗会发生变化。所以,其只能作为参考；

(2)考虑到轨道线路的向外延伸,系统容量会增加,地铁供电系统参数也将发生变化,系统谐波的数值也会随之发生变化；

(3)上述计算分析都是在理想化的状态下得到的,实际上,轨道交通牵引负荷变化很大,有时加速,有时制动,这也会引起负荷的变化,从而造成谐波的进一步增加；

(4)供电系统在不同运行方式下,各种参数也会发生很大的变化,谐波阻抗也会发生变化,这样也会引起系统谐波数值的变化；

(5)当系统出现故障时,或遭到雷击时,或发生震荡时,都会产生很大的谐波,这些谐波和原有的谐波一起会对系统造成很大的危害；

正常时整流机组的电流是由交流侧流向直流侧,然后向机车组供电。而逆流是指电流由整流机组的直流侧流向交流侧。当整流机组具有逆变功能时,车辆的再生制动能量可以反送给系统,这样可节约电能。但由于普通的整流器逆变反送给系统的再生制动电能含有较大的谐波成分,是电力系统不允许的。因此为充分发挥这一功能,就必须安装滤波设备。目前国内城市轨道交通所使用的整流器大多都不具备逆变功能,就是为了减少谐波。但是现在一些地方的轨道交通安装了专门的逆变设备,以充分利用这部分能量。

三、城市轨道交通牵引供电系统谐波治理及改善的基本措施

1994年我国颁布了《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549- 93)的国家标准,对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网的谐波电流均做出了明确的规定。原电力工业部于 1998 年也颁发了《电网电能质量技术监督管理的规定》,其中第五条指出：“因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时,按‘谁干扰,谁污染,谁治理’的原则及时处理,并贯穿于电网及用电设施设计、建设和生产的全过程。”因此,滤除谐波、提高功率因数、延长设备寿命是每个用电企业义不容辞的责任。作为一个用电大户,城市轨道交通供电系统对谐波进行治理是其义务,也是对国家电网安全运行的一种贡献,同时也对自身的经济运行大有裨益。

1、采用高脉波数的整流机组以及三相整流变压器采用 Y/ 或/Y 接线。

2、装设分流滤波器

分流滤波器是由 R、C、L 等元件组成的。串联谐振电路一般采取三相星型联接,它往往接在大型整流设备与电网的联接处,见图1。

图1：滤波器接线示意图

3、安装有源谐波调节器

有源谐波调节器克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段有效的缺点,它采用如图2原理图。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析并建立频谱图,以此频谱图为依据,向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波,从而达到谐波抑制的效果。

图2：有源谐波调节器工作原理示意图

跟据此原理推出了有源谐波调节器,它能将 2～25次谐波有效地抑制。可根据电网的情况调整电压与电流波形的相位角,修正电流波形,提高功率因数,有效地抑制谐波干扰,其工作原理如图3所示。

图3：有源谐波调节器工作原理框图

四、结束语

随着社会的不断发展，城市轨道交通系统越来越复杂，谐波伴随着城市轨道交通供电系统的出现而随之出现。本文阐述了谐波产生的原因，分析了不同谐波的谐波源，并提出治理的方法。通过对重点区域的疏导进行限制性处理，特别是对系统谐波的监控处理，有效的降低谐波数值，减少谐波量，即节约了电力系统的能源，也保证了城市交通的正常运转。

参考文献

[1] 李建民 张伟：《城市轨道交通供电系统变压器运行方式分析研究》，《变压器》,2007年 24期

[2] 王念同 魏雪亮：《城市轨道交通24脉波牵引整流变电站网侧谐波电流的分析》，《变压器》，2003年01期

[3] 李建民 尹传贵：《城市轨道交通牵引供电系统谐波分析》，《城市轨道交通研究》，2004年06期

[4] 王磊 刘小宁 王伟利：《大功率整流电路直流侧非特征谐波的分析》，《继电器》，2007年3期