浅析地铁牵引供电系统对配电网的谐波影响

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摘 要：大规模的城市轨道交通供电系统经由电力电子元件接入城市配电网，给城市电力系统的分析研究带来了一些新的谐波问题。针对城市轨道交通供电系统中最具代表性的地铁牵引供电系统，准确分析系统结构特点，掌握其谐波分布情况，并采取相应的谐波措施抑制，为城市配电网的稳定运行提供了理论参考。

关键词：地铁牵引供电系统；配电网；谐波；抑制

引言

地铁作为目前世界上最为便捷高效的一种城市交通工具，一般直接由城市配电网为其提供电能。由于我国地铁采用直流750V或1500V的供电制式，而城市配电网提供的是交流电源，因此需要安装整流装置，用以实现交、直流电源的可靠转换。不仅如此，地铁机车上的逆变器还需要将直流电转换成交流电以供给照明、空调等辅助供电系统。所以在地铁与配电网的交互过程中，以及地铁牵引网与机车进行能量转换的过程中，由于大量电力电子元器件之间的耦合作用，产生的谐波给城市配电网带来了严重的谐波污染，很容易造成配电网发生事故并危及整个城市的供电稳定和社会秩序[1-3]。在2006年的报道中就有学者指出在上海地铁交通体系中，严重的谐波失真会严重威胁上海配电网的稳定运行[4]。鉴于此，本文就地铁牵引供电系统对配电网的谐波污染问题进行了初步探讨。

1 地铁牵引供电系统

我国地铁供电系统的供电制式主要采用集中式供电，其各个部分的组成关系如图1所示。发电厂通常设在距离电力用户很远的地方，能够产生电能。针对城市轨道交通系统来说，通常将主变电所以上的部分称为外部公用电网，主变电所及以下的部分称作内部牵引供电系统，而内部系统与外部电网的接口设在主变电所处。牵引供电系统是内部系统重要组成部分，其主要作用是为地铁机车提供电能，主要由牵引变电所、馈电线、接触网、回流线和走行轨道构成；而降压变电所则是为各车站、隧道、车辆段等的动力照明负荷提供电能。

2 公共连接点谐波电流允许值的分配原则

为了抑制谐波污染的对配电网的危害，国标GB/T 14549-1993《电能质量 公共电网谐波》对谐波电流限制给出了明确规定。当同一公共连接点连接多个用户且公共连接点处的最小短路容量和基准短路容量不相同时，每个用户向电网注入的谐波电流允许值需要根据每个用户在公共连接点的协议容量和其供电设备容量之比进行分配。第i个用户的第n次谐波电流允许值Ini，需按下式确定：

3 谐波对配电网的危害

谐波给配电网造成的损害不容小觑，比如谐波电流在配电网的电路上会产生有功功率损耗，这在线路损耗上占了一定比重，而且因为谐波电流的频率是基波频率的整数倍，当高频电流流过导体时，会引起导线的集肤效应使得谐波电阻大于基波电阻，从而增加了附加线路的损耗，带来了大量的能量损失。

不仅如此，谐波也会使得配电网的架空线路产生电晕损耗，因为谐波会使电压峰值超过允许值继而产生电晕，给架空线路造成威胁。此外电缆输电系统也会因为谐波大大的缩减了使用寿命，因为谐波会使电压波形出现尖峰，从而加快电缆的老化速度。而且谐波对电缆的危害程度会随着电缆额定电压的增高而愈发恶劣。与此同时，电缆的分布电容也会加重谐波对配电网的危害程度，因为分布电容会对谐波电流产生放大作用。

谐波带来的危害还有很多，诸如增大测量仪表的测量误差；增大旋转电机、变压器的附加损耗；对通信设备产生大量的干扰；影响继电保护等自动控制设备的可靠运行等，以及谐波给配电网造成的污染会大大降低供电质量，影响其它用电设备的正常运行。

4 谐波的抑制

地铁牵引供电系统的谐波源主要来自于地铁牵引传动系统的谐波和动力照明系统产生的谐波。动力照明系统产生的谐波通常可以通过在降压变电所出口处安装滤波器加以滤除，而常用的滤波装置通常分为有源滤波器和无源滤波器两种类型。其中无缘滤波器可分为高通滤波器、单调谐滤波器及双调谐滤波器等，在实际应用中我们通常采用一级高通滤波器和几组单调谐滤波器组成混合滤波装置。有源滤波装置是近几年的谐波抑制研究重点，主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路组成。有源滤波器克服了无源滤波器等方法的缺点，不容易受电网阻抗的影响，减小了和电网阻抗发生谐振的可能。此外有源滤波装置的优点还有很多，例如能同时补偿频率和大小都会发生变化的谐波以及变化的无功功率，即使补偿的电流超过一定范围，有源滤波器也不会过载，还能同时正常补偿。从经济节能的角度出发，往往采用有源滤波器和无源滤波器混合使用的方案，以提高系统的性价比。

目前地铁牵引供电系统对配电网的谐波污染主要通过改进换流装置来达到抑制的效果。因为高次谐波电流和整流装置的脉波数n有密切的联系，所以地铁中通常采用24脉波整流电路，其注入电网的主要是24k±1（k=1，2，3…）次谐波，最底次为23、25次，可以在极大程度上限制谐波的产生，减小了对城市配电网的谐波污染。但是地铁实际运行的过程中，还会由于动力照明系统产生一些低次谐波，一般为5次、7次谐波，并且含有11、13、23、25次的高次谐波。所以在实际的滤波过程中需要考虑多个滤波器结合使用，并与动力照明系统的参数相匹配。关于换流装置的分析文献[5-6]已给出详细说明，本文不再赘述。文献[2]分析了郑州地铁1号线列车在运行时，采用等值24脉动整流系统会减小向城市配电网（110kV主变电所）注入的谐波含量，符合国家标准《电能质量 公共电网谐波》的要求。但实时监测表明当地铁牵引供电系统内部出现故障或者遇到雷击等自然灾害甚至发生谐振时，地铁牵引供电系统产生的谐波会同原有的谐波相叠加，给配电网造成极大的危害。

参考文献

[1]姚猛.郑州城市轨道交通供电模式及谐波分析[D].郑州大学，2012.

[2]金照盈.城市轨道交通供电系统谐波分析及对配网的影响研究[D].郑州大学，2014.

[3]Monem O A. Power Quality Improvement for Egypt Subway Electrical Network[J]. 2015.

[4]Pan Y， Gui Q， Tian Y. Study of the effect on harmonics in shanghai grid caused by subway transportation connecting into the grid[C]// China International Conference on Electricity Distribution. 2006：CP0590-CP0590.

[5]艾兵.地铁牵引供电系统建模及其对公共电网影响的研究[D].西南交通大学，2010.

[6]王乃永，官澜，李静，等.地铁牵引供电系统对公网谐波影响仿真研究[J].陕西电力，2010，38（4）：30-33.

作者简介：龚代海（1987-），男，重庆人，工程师，本科，主要从事城市轨道交通供电系统、铁道供电系统施工管理工作。