王文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,陜西西安,710043)

地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波分析及治理研究

王文彬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化處,陜西西安,710043)

本文對(duì)低壓配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行了相關(guān)的理論研究，對(duì)諧波治理方式、治理效果進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試和仿真計(jì)算研究，推薦出適用于地鐵低壓配電系統(tǒng)的治理方案，對(duì)今后地鐵低壓配電諧波治理具有重要參考價(jià)值。

地鐵；低壓配電系統(tǒng)；諧波；有源濾波裝置；無功補(bǔ)償

0 引言

地鐵作為現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)的重要組成部分，其安全性、高效性越來越多的受到公眾的關(guān)注。地鐵車站內(nèi)強(qiáng)電、弱電多個(gè)系統(tǒng)并存，高壓、低壓多種電壓等級(jí)并存，交流、直流多種供電制式并存。地鐵除了牽引負(fù)荷(直流電動(dòng)車輛)外，為保證地鐵車站運(yùn)營的功能性及舒適性，車站內(nèi)還有很多動(dòng)力照明設(shè)備，其中大量非線性設(shè)備的運(yùn)行必然產(chǎn)生諧波。如何減少諧波對(duì)配電系統(tǒng)的污染，減少諧波造成的危害，為地鐵車站及其他用戶電氣設(shè)備的使用創(chuàng)造既安全又經(jīng)濟(jì)的低壓配電系統(tǒng)環(huán)境成為一個(gè)亟待解決的問題。

本文對(duì)低壓配電系統(tǒng)諧波進(jìn)行了相關(guān)的理論研究，對(duì)諧波治理方式、治理效果進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試和仿真計(jì)算研究，推薦出適用于地鐵低壓配電系統(tǒng)的治理方案，研究成果對(duì)于地鐵設(shè)計(jì)、運(yùn)營具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波分析

典型地鐵車站低壓配電系統(tǒng)采用單母線分段接線，正常時(shí)母聯(lián)分段，兩臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，當(dāng)一臺(tái)變壓器檢修或故障時(shí)，切除三級(jí)負(fù)荷，另一臺(tái)變壓器承擔(dān)全部一、二級(jí)負(fù)荷的供電從而保證地鐵車站的正常運(yùn)營。地鐵低壓配電系統(tǒng)主要用電負(fù)荷包括照明、環(huán)控、給排水、通信、信號(hào)、屏蔽門、綜合監(jiān)控、AFC、電扶梯等。

1.1 地鐵諧波源分布

地鐵車站低壓配電系統(tǒng)存在大量的非線性電氣設(shè)備，歸納起來有以下幾種：

1.1.1 熒光燈：

屬于氣體放電燈，電路中還有電弧，電弧的負(fù)阻特性（電弧電阻隨電流增大而減?。┊a(chǎn)生諧波電流。由于單相電源供電，主要產(chǎn)生2k±1次諧波。

1.1.2 直流屏、消防應(yīng)急電源(EPS)等：

此類電源均存在整流過程，在其工作過程中或產(chǎn)生諧波電流，由此類電源基本上為3相交流輸入，所以主要產(chǎn)生6k±1次諧波。

1.1.3 通信、售票等弱電系統(tǒng)UPS電源：

地鐵弱電系統(tǒng)如通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)AFC、乘客信息系統(tǒng)PIS等，需要高可靠性的后備電源（UPS）進(jìn)行不間斷供電，以保證供電質(zhì)量和供電連續(xù)性。

1.1.4 變頻器和軟啟動(dòng)器：

部分風(fēng)機(jī)、自動(dòng)扶梯通過配置變頻器或軟啟動(dòng)器以改善啟動(dòng)沖擊和運(yùn)行節(jié)能，但必然隨之產(chǎn)生6k±1次諧波。

1.1.5 檢修電源：

區(qū)間隧道及車站風(fēng)機(jī)房內(nèi)的檢修作業(yè)，難免產(chǎn)生電弧。電弧的負(fù)阻特性會(huì)產(chǎn)生諧波電流，由于時(shí)間較短，對(duì)于電網(wǎng)影響很小。

1.2 諧波對(duì)地鐵系統(tǒng)的影響

諧波對(duì)于地鐵系統(tǒng)的影響可以從輸變電設(shè)備和通訊系統(tǒng)兩方面進(jìn)行闡述：

1.2.1 諧波對(duì)輸變電設(shè)備的影響：

諧波會(huì)減少輸電線路、電力變壓器及無功補(bǔ)償電容器的壽命，甚至?xí)?dǎo)致事故發(fā)生；諧波還可能引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)。

a對(duì)輸電線路的影響：

諧波電流會(huì)產(chǎn)生較高頻率的電場，這種情況下絕緣的局部放電加劇，介質(zhì)損耗顯著增加，致使溫升增加，影響絕緣壽命。

b對(duì)變壓器的影響：

對(duì)于普通變壓器，其主要3次及其倍數(shù)次零序諧波需考慮解決，以防諧波形成換流導(dǎo)致繞組過熱；對(duì)于供給不對(duì)稱負(fù)荷的變壓器，如果負(fù)荷電流中含有直流分量，則它將使變壓器磁路的飽和度提高，從而使交流勵(lì)磁電流的諧波分量大大增加。

c對(duì)無功補(bǔ)償電容器的影響：

在電容器的作用下，諧波電流可以被放大2～5倍，而在諧振時(shí)可達(dá)30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會(huì)大大增加電容器的損耗和過熱，這往往導(dǎo)致電容器的損壞。

1.2.2 諧波對(duì)通訊系統(tǒng)的影響：

諧波干擾會(huì)引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起電話鈴響，甚至還發(fā)生過危及設(shè)備和人身安全的事故。

2 地鐵諧波治理解決方案分析

地鐵諧波治理的方式主要分為諧波集中補(bǔ)償和就地補(bǔ)償兩種：集中補(bǔ)償即在在用戶用電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接點(diǎn)處加裝諧波補(bǔ)償設(shè)備，優(yōu)點(diǎn)在于，大量的諧波源產(chǎn)生諧波電流到達(dá)變壓器母線后會(huì)有相互疊加減小，治理成本低，保護(hù)上級(jí)電網(wǎng)，但對(duì)下級(jí)電網(wǎng)無益；就地補(bǔ)償方式，就是將濾波器安裝在諧波源的交流進(jìn)線處，通過濾波器就近補(bǔ)償諧波，達(dá)到徹底消除諧波危害的目的，補(bǔ)償效果佳，但補(bǔ)償成本較高。

地鐵車站低壓配電系統(tǒng)的諧波治理，區(qū)別于一般的治理方式，其諧波治理的側(cè)重點(diǎn)應(yīng)放在三個(gè)方面：

2.1 消除諧波污染對(duì)關(guān)鍵的測(cè)控、通訊、指揮系統(tǒng)的影響；

2.2 消除諧波引發(fā)中線過載而導(dǎo)致電氣火災(zāi)發(fā)生的可能；

圖1 就地補(bǔ)償方式

2.3 降低地鐵配電系統(tǒng)對(duì)上級(jí)電網(wǎng)（包括自用變壓器）的污染。

由于測(cè)控、通訊、指揮系統(tǒng)等關(guān)鍵負(fù)載安全性要求高，如在變壓器下做集中補(bǔ)償，雖能避免對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的諧波污染、消除降低電氣火災(zāi)的發(fā)生幾率，但無法消除諧波源對(duì)這些重要負(fù)載的威脅，因此，在地鐵站房低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)盡量選用就地補(bǔ)償模式（如圖1）對(duì)諧波源所產(chǎn)生的污染進(jìn)行就地補(bǔ)償，將諧波危害消除在源頭。

但就地補(bǔ)償方式成本較高，且設(shè)計(jì)是選型復(fù)雜、安裝時(shí)施工量加大。為合理的設(shè)計(jì)濾波裝置的數(shù)量及節(jié)約設(shè)計(jì)預(yù)算，在地鐵站房配電系統(tǒng)中，建議將負(fù)載分類與集中補(bǔ)償方式相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

如圖2所示，首先，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)我們需要考慮盡量將所有諧波源負(fù)荷與需受到保護(hù)的控制系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行分類集中。把主要的諧波源負(fù)載集中設(shè)計(jì)在低壓母排的末端，將需保護(hù)的負(fù)荷設(shè)計(jì)在靠近變壓器側(cè)。將濾波器加裝在諧波源負(fù)荷與被保護(hù)負(fù)荷之間，集中消除諧波的危害。

圖2 集中治理方式

經(jīng)過這樣的處理方式后，諧波只存在諧波源負(fù)荷之間，經(jīng)濾波器集中治理后，徹底消除了諧波對(duì)關(guān)鍵負(fù)載及上級(jí)電網(wǎng)的影響，成本也相較就地補(bǔ)償方式大大降低。

3 PSCAD仿真與驗(yàn)證

針對(duì)前述分析，使用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD對(duì)現(xiàn)場工況和濾波效果進(jìn)行了模擬仿真。系統(tǒng)主要參數(shù)為：電網(wǎng)進(jìn)線為110kV，短路容量2000MVA，變壓器為110kV/35kV及35kV/0.4kV，空調(diào)負(fù)荷總?cè)萘繛?00-300kW； UPS總?cè)萘繛?00-120kW；照明總?cè)萘繛?00kW；電梯總?cè)萘繛?5-30kW。

仿真時(shí)間為2s，有源電力濾波器于1s投入運(yùn)行，無功補(bǔ)償柜于1.5s投入運(yùn)行。

由以上可以明顯看出，有源電力濾波器和無功補(bǔ)償投入運(yùn)行后，電網(wǎng)電壓電流波形得到了極大的改善，畸變率降至3%左右，滿足國標(biāo)要求。濾波器投入前后，基波電流基本保持不變，諧波電流有顯著增大。

本文對(duì)濾波器置于無功補(bǔ)償之前也進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明濾波器置于無功補(bǔ)償之前，濾波器運(yùn)行后電網(wǎng)側(cè)電流中還有5、13、19次諧波，而濾波器置于之后時(shí)網(wǎng)側(cè)電流中僅含5次諧波電流，所以有源電力濾波器安裝在電容補(bǔ)償柜之后濾波效果最佳。

4 地鐵諧波治理案例

某地鐵公司出于運(yùn)行安全性考慮，決定在某車站環(huán)控室使用有源電力濾波器進(jìn)行濾波。

現(xiàn)場主要諧波負(fù)載為三臺(tái)變頻器，有源電力濾波器安裝于變壓器下集中補(bǔ)償。測(cè)試位置為低壓母排互感器二次側(cè)，電流數(shù)據(jù)變比30:5，需對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。歸算至實(shí)際值的諧波電流、電壓、畸變率數(shù)據(jù)分別如下表：

表1 歸至實(shí)際值的諧波電流值

表2 歸至實(shí)際值的電壓、畸變率值

測(cè)試數(shù)據(jù)顯示了地鐵環(huán)控電控室諧波狀況，諧波電流畸變率一般在30%左右。從上述數(shù)據(jù)對(duì)比可以得出，通過諧波治理，畸變嚴(yán)重的非正弦波變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的正弦波；電壓畸變率從3%降低到1.4%；電流畸變率從34.4%降低到6.1%；諧波電流吸收率達(dá)到92.9%，有源電力濾波器在地鐵低壓配電系統(tǒng)中使用，尤其是對(duì)于消除諧波方面的作用是非常明顯的。

5 結(jié)論

通過一系列的仿真計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到結(jié)論如下：

5.1 對(duì)于地鐵站低壓系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，可以通過在變壓器下安裝有源電力濾波器和無功補(bǔ)償柜的方式解決；

5.2 安裝有源電力濾波器后，對(duì)于電網(wǎng)側(cè)電流電壓波形的改善作用十分明顯，其中有源電力濾波器安裝在電容補(bǔ)償柜之后濾波效果最佳；

5.3 安裝有源電力濾波器后，對(duì)于降低負(fù)載之間的諧波干擾起到了十分重要的作用；

從理論上說，牽引動(dòng)力產(chǎn)生的諧波對(duì)于低壓配電系統(tǒng)沒有影響，如果現(xiàn)場確實(shí)存在問題，可以現(xiàn)場測(cè)試后進(jìn)行處理。

[1] 丘小梅 關(guān)于地鐵車站低壓配電系統(tǒng)的諧波防治[J]．電氣應(yīng)用，2005(11)

[2] 段永強(qiáng).地鐵供電系統(tǒng)諧波的分析及治理[J].城市軌道交通研究，2012(6)．

[3] 王均山．有源濾波技術(shù)在地鐵供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(9)．

The Harmonic Analysis and Restraint for Low-voltage Distribution System of Subway

Wang Wenbin
(Electrical Engineering Dept. of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.LTD,710043)

In this paper,relevant theoretical research was conducted on the harmonic distortion of low voltage power supply system.Field test and simulation were taken to harmonic suppression methods and their effects.Finally,suitable harmonic suppression method for subway was recommended,which has important and referenced value to the harmonic restraint of low-voltage distribution system in the future.

subway；Low voltage power supply system;harmonic;Active Power Filter;Reactive power compensation