趙大偉 魏宏偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

地鐵供電系統(tǒng)脈波整流對(duì)系統(tǒng)諧波影響

趙大偉 魏宏偉

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

地鐵供電系統(tǒng)大量采用可控硅整流設(shè)備和非線性負(fù)荷投入，在交流側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，影響公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量。通過(guò)對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)諧波分析，給出諧波電流計(jì)算方法，求解出各脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)諧波電流，通過(guò)對(duì)各脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行比較研究，得出整流機(jī)組脈波項(xiàng)數(shù)對(duì)注入電網(wǎng)諧波電流的影響。在此基礎(chǔ)上，提出增加整流機(jī)組脈波項(xiàng)數(shù)抑制諧波的解決方法和措施。

地鐵 諧波電流 供電系統(tǒng)

在地鐵供電系統(tǒng)中，中壓網(wǎng)絡(luò)采用交流系統(tǒng)，通過(guò)牽引整流機(jī)組把交流電流整流成相對(duì)穩(wěn)定的直流電流供給車輛電能和車載設(shè)備用電。由于整流設(shè)備單向?qū)щ姽ぷ?，在正反向電壓作用下其電阻值差異很大，因而整流裝置從交流電力系統(tǒng)得到的是非正弦波，這種波形根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)、整流裝置項(xiàng)數(shù)、接線和運(yùn)行條件的不同而發(fā)生很大畸變。地鐵牽引供電系統(tǒng)使用大量可控硅整流設(shè)備，其高壓側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電力系統(tǒng)，不僅直接影響地鐵機(jī)車運(yùn)行安全而且影響公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量。對(duì)地鐵牽引供電系統(tǒng)各脈波整流系統(tǒng)注入電網(wǎng)諧波的電流進(jìn)行分析，提出抑制諧波的主要措施。

1 諧波的產(chǎn)生和危害

地鐵牽引供電系統(tǒng)的諧波主要是牽引變電所整流裝置引起的。整流裝置交流電源的電流為矩形波，該波為工頻基波和基波奇數(shù)倍的高次諧波合成的電流波形，故使電壓、電流波形發(fā)生畸變。此外，操作動(dòng)作、系統(tǒng)振蕩、電弧、雷電等也會(huì)產(chǎn)生諧波。

當(dāng)諧波含量超過(guò)一定范圍時(shí)，對(duì)城市電網(wǎng)系統(tǒng)可產(chǎn)生以下危害:

①注入系統(tǒng)的諧波電流會(huì)引起電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

②注入系統(tǒng)的諧波電流并不做有用功，會(huì)消耗在電網(wǎng)內(nèi)電氣設(shè)備及線路上，引起設(shè)備發(fā)熱，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)及噪聲，影響電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

③諧波造成電網(wǎng)中各種計(jì)量?jī)x表產(chǎn)生誤差。

④諧波電流會(huì)對(duì)周圍的通信傳輸設(shè)備產(chǎn)生干擾， 影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

⑤諧波電流可能會(huì)引起電網(wǎng)發(fā)生諧波諧振，造成諧波過(guò)電流或諧波過(guò)電壓危險(xiǎn)。

總之， 注入電網(wǎng)的諧波會(huì)使電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備，如變壓器、電容器、電纜等設(shè)備發(fā)熱，造成絕緣加速老化，減少使用壽命；諧波還對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量。電力系統(tǒng)的諧波電壓和諧波電流會(huì)對(duì)機(jī)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生干擾，影響機(jī)車安全可靠運(yùn)行。

2 諧波電流的計(jì)算

地鐵外部電源供電方式一般采用集中供電方式，沿線設(shè)置主變電所，從城市電網(wǎng)地區(qū)變電站接引兩回獨(dú)立可靠的110 kV進(jìn)線電源供電，通過(guò)中壓環(huán)網(wǎng)為牽引變電所供電。

設(shè)牽引變電所功率為SN，中壓環(huán)網(wǎng)等級(jí)為UN，則每座牽引變電所注入電網(wǎng)的諧波電流為

(1)

考慮一個(gè)主變電所供電范圍內(nèi)有多座牽引變電所運(yùn)行，同次諧波電流間存在相位差，且隨諧波次數(shù)不同，相位差又有差異。35 kV側(cè)諧波電流的疊加可用下列公式計(jì)算

(2)

式中，I1h、I2h為第一座牽引變電所、第二座牽引變電所的h次諧波電流；θh為兩座牽引變電所h次諧波電流的相位差。

110 kV側(cè)諧波電流可用下列公式計(jì)算

(3)

式中，K為主變壓器高低壓側(cè)變比。

當(dāng)主所供電范圍內(nèi)有超過(guò)兩座以上牽引變電所時(shí)，諧波電流的疊加計(jì)算是先按式(2)疊加兩座，然后再將疊加結(jié)果與第三座牽引變電所仍按式(2)相疊加，以此類推。

3 算例

以某地鐵項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述諧波電流計(jì)算方法，并將各種脈波整流的諧波計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

某城市地鐵1號(hào)線采用集中供電方式，設(shè)置客運(yùn)西站、長(zhǎng)風(fēng)東街主變電所兩座，其中客運(yùn)西站供電范圍內(nèi)設(shè)置6座牽引變電所。經(jīng)計(jì)算，各牽引變電所注入功率如表1所示。

表1 牽引變電所功率及基波電流

6脈波整流諧波電流及注入電網(wǎng)電流如表2。

表2 6脈波整流各次諧波電流及注入電網(wǎng)電流統(tǒng)計(jì) A

12脈波整流諧波電流及注入電網(wǎng)電流如表3。

18脈波整流諧波電流及注入電網(wǎng)電流如表4。

表4 18脈波整流各次諧波電流及注入電網(wǎng)電流統(tǒng)計(jì) A

24脈波整流諧波電流及注入電網(wǎng)電流如表5。

表5 24脈波整流各次諧波電流及注入電網(wǎng)電流統(tǒng)計(jì) A

4 結(jié)論

(1)地鐵供電系統(tǒng)使用的三相整流變壓器一般采用Y/Δ或Δ/Y聯(lián)接， 這種聯(lián)接本身可以消除3的整數(shù)倍的高次諧波，所以地鐵供電系統(tǒng)注入電網(wǎng)中的諧波電流有5、7、11、13、17、19、23、25等奇次諧波。

(2)由計(jì)算結(jié)果可知，24脈波整流機(jī)組注入電網(wǎng)的低次諧波電流明顯比6、12、18脈波整流機(jī)組小，通過(guò)增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)，可以有效抑制低次諧波。

(3)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用24脈波整流方式有效減少了11、13次諧波含量，但是其23、25次諧波含量較大。由于三相整流機(jī)組產(chǎn)生諧波次數(shù)較高，其注入電網(wǎng)諧波還需結(jié)合諧波注入點(diǎn)電網(wǎng)的強(qiáng)度、諧波傳輸路徑、電纜特性、供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備參數(shù)等因素，進(jìn)行諧波仿真計(jì)算后再分析評(píng)估。

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ZHAO Da-wei WEI Hong-wei

2014-10-30

趙大偉(1982—)，男，工程師。

1672-7479(2014)06-0105-02

TM422

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