郭峰

【摘要】 電網(wǎng)諧波影響電力設(shè)備的正常運(yùn)行，危及電力用戶的用電安全。在生產(chǎn)生活中，必須對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波治理，消除或者減小諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，保障電力設(shè)備的可靠運(yùn)行。如今隨著電力機(jī)車的廣泛應(yīng)用，電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波分量已經(jīng)對(duì)電網(wǎng)造成很大的影響。本文從電氣化鐵路的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)電力諧波的產(chǎn)生原因和抑制措施進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】 電氣化鐵路 諧波分析 諧波治理

一、概述

鐵路運(yùn)輸是國(guó)家社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵因素。電氣化鐵路具有機(jī)組牽引力大、運(yùn)行速度快、能耗低、污染小、工作環(huán)境好等特點(diǎn)，是我國(guó)鐵路設(shè)備發(fā)展的重要方向。電氣化鐵路動(dòng)力電力網(wǎng)的正常和可靠運(yùn)行是電力機(jī)車安全運(yùn)行的基本保障。

隨著電氣化鐵路的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的高次諧波分量大量增加，使電力網(wǎng)絡(luò)的用電質(zhì)量大大降低。電氣化鐵路的用電負(fù)荷是非線性的，且隨著運(yùn)輸強(qiáng)度的變化而波動(dòng)。因此電氣化鐵路的諧波分量具有波動(dòng)性和隨時(shí)間變化而變化的特點(diǎn)。[1]電力機(jī)車采用單相供電，在沒有補(bǔ)償設(shè)備的情況下，會(huì)向電力系統(tǒng)回饋負(fù)序分量；并且由于電力機(jī)車采用整流電路進(jìn)行直流驅(qū)動(dòng)，同時(shí)由于負(fù)荷的波動(dòng)，往往導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)低、諧波分量大等問題，對(duì)機(jī)車動(dòng)力供電網(wǎng)絡(luò)及其上級(jí)電網(wǎng)的電能質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，對(duì)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行造成威脅。電氣化鐵路中嚴(yán)重的諧波干擾已經(jīng)在電網(wǎng)運(yùn)行過程中造成過較為嚴(yán)重的事故，所以我們必須使電氣化鐵路的諧波問題得到及時(shí)解決。[2]

諧波分量、負(fù)序分量、電壓波動(dòng)范圍、三相不平衡系數(shù)和閃變影響著電氣化鐵路的電能質(zhì)量。其中諧波問題已經(jīng)成為對(duì)電網(wǎng)影響最大，同時(shí)也是最為棘手的問題。

二、諧波的產(chǎn)生原因

諧波是基波電量的整數(shù)倍分量，通常稱為高次諧波。電網(wǎng)中的諧波往往由多個(gè)頻率的高次諧波分量組成。

電力網(wǎng)絡(luò)的諧波來(lái)源主要包括三個(gè)方面：一是發(fā)電機(jī)等電力電源本身產(chǎn)生的諧波；二是電力變壓器等輸配電設(shè)備產(chǎn)生的諧波；三是直流電機(jī)或者其他用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。電力系統(tǒng)中的諧波源，往往具有非線性的特點(diǎn)。這些設(shè)備的非線性可以分成三類：

1.磁場(chǎng)飽和型：主要是各種線圈設(shè)備，如電力變壓器、電磁鐵、變壓器和電抗器等。在電力電子設(shè)備推廣之前，發(fā)電機(jī)和變壓器是電力系統(tǒng)中最主要的諧波發(fā)生源。

2.電子開關(guān)型：主要是各種可控硅整流設(shè)備和晶閘管雙向可控開關(guān)裝置。這種類型的設(shè)備廣泛存在于在電氣化鐵路、冶金企業(yè)和很多家用電器中。[3]

3.電弧爐：在中頻爐和低頻爐煉鋼的電爐熔煉初期和交流電焊機(jī)的焊接過程中，電弧的劇烈變動(dòng)產(chǎn)生了大量非線性分量，并且由于電弧的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性，造成電網(wǎng)諧波的構(gòu)成非常復(fù)雜，并且隨負(fù)載大小和時(shí)間的變化而變化。

三、電氣化鐵路諧波的理論分析和諧波危害

由于電氣化鐵路負(fù)荷的非線性和波動(dòng)性，其諧波分量與其他用電設(shè)備諧波分量相比有其獨(dú)有的特點(diǎn)。電氣化鐵路負(fù)荷的諧波特點(diǎn)主要有：電氣化鐵路負(fù)荷諧波與常規(guī)負(fù)荷諧波相比，其諧波的初始相位角分布范圍廣，在復(fù)平面坐標(biāo)的任意區(qū)域內(nèi)都可能存在；電氣化鐵路負(fù)荷諧波幅值波動(dòng)異常劇烈，在負(fù)載呈周期性變化時(shí)，具有周期性的特點(diǎn)；諧波從低壓電網(wǎng)直接引入電網(wǎng)。

電氣化鐵路的諧波往往是由晶閘管整流設(shè)備以及非線性運(yùn)行的用電設(shè)備產(chǎn)生的，整流電力機(jī)車是電氣化鐵路電網(wǎng)最主要的諧波發(fā)生源，多段相控橋式整流電力機(jī)車電路圖如下所示：

電氣化鐵路的諧波分量對(duì)電力系統(tǒng)的危害主要有以下幾個(gè)方面。

1.并聯(lián)諧振；當(dāng)諧波分量進(jìn)入電網(wǎng)以后，由于電網(wǎng)本身的阻容特性，可能會(huì)引起某次諧波在線路中的諧振，導(dǎo)致諧波分量被放大，造成電力設(shè)備的故障甚至損壞。

2.對(duì)電力變壓器的危害。諧波分量流經(jīng)變壓器，會(huì)引起額外的鐵損和銅損，導(dǎo)致變壓器溫升加大，容量降低，從而影響變壓器的工作效率。在造成附加損耗增加的同時(shí)，諧波分量還會(huì)造成變壓器機(jī)械振動(dòng)加大、噪聲增加和電壓過高，導(dǎo)致變壓器局部溫度過高。諧波還會(huì)使電容器和電力電纜等電力設(shè)備過載過熱，使絕緣加速老化、降低使用壽命甚至直接造成設(shè)備的損壞。

3.對(duì)控制系統(tǒng)造成干擾?？刂葡到y(tǒng)往往通過軌道電路依靠機(jī)車和路面?zhèn)鞲衅鞑杉盘?hào)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于軌道同時(shí)也是機(jī)車的電源供電回路，因此機(jī)車本身的諧波和變壓器諧波都可能對(duì)控制信號(hào)和采集信號(hào)造成干擾，導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作，危及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性。

4.對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)備的危害。諧波造成電力線路、發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)等電力設(shè)備的損耗增加、溫升加大，使其使用壽命降低，甚至直接損壞。[5]

四、電氣化鐵路的諧波抑制措施

電氣化鐵路電力系統(tǒng)諧波抑制主要有如下四個(gè)方面：

4.1受端抑制

即從電力系統(tǒng)的用電設(shè)備本身入手，提高用電設(shè)備的諧波抑制能力。

4.2主動(dòng)抑制

從諧波發(fā)生設(shè)備本身入手，避免或者降低設(shè)備諧波分量的產(chǎn)生。具體措施有：研發(fā)新型整流設(shè)備，保證其諧波分量為零且運(yùn)行功率因數(shù)為1。這種整流設(shè)備被稱為單位功率因數(shù)整流器。即通過調(diào)整脈寬校正功率因數(shù)的整流電路，在開關(guān)電源等中小功率整流設(shè)備中已經(jīng)得到推廣；另外，多脈沖整流電路在電解電源等大功率整流設(shè)備中已經(jīng)得到廣泛使用。

4.3被動(dòng)抑制

在電力系統(tǒng)中加裝濾波設(shè)備，防止諧波分量進(jìn)入電網(wǎng)，或者阻止諧波分量進(jìn)入用電設(shè)備。即通過加裝無(wú)源電力濾波設(shè)備、有源電力濾波設(shè)備或者混合型電力濾波設(shè)備進(jìn)行諧波治理。依靠濾波設(shè)備對(duì)諧波分量進(jìn)行抑制吸收，降低或者消除諧波污染。

4.3.1靜態(tài)無(wú)源電力濾波設(shè)備

靜態(tài)無(wú)源濾波設(shè)備一般在交流側(cè)安裝，根據(jù)諧波容量由電抗、電容和電阻構(gòu)成諧波抑制回路，使諧波在回路發(fā)生串聯(lián)諧振，阻止該次諧波進(jìn)入電網(wǎng)。靜態(tài)無(wú)源濾波設(shè)備的投資小、設(shè)備簡(jiǎn)單且維護(hù)方便，主要應(yīng)用于諧波和無(wú)功功率變化規(guī)律的場(chǎng)所。由于設(shè)備阻抗固定，難以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)變化，有可能造成諧波分量的放大，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行造成不利影響。

4.3.2有源電力濾波設(shè)備

有源電力濾波設(shè)備是通過處理器控制，對(duì)系統(tǒng)諧波和無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)適量補(bǔ)償?shù)男滦蜑V波補(bǔ)償設(shè)備，這種設(shè)備可以通過傳感器對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的諧波分量和功率因數(shù)，通過高速處理器對(duì)信息進(jìn)行快速分析處理，控制設(shè)備的導(dǎo)通角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確濾波補(bǔ)償。有緣濾波設(shè)備的響應(yīng)快，適應(yīng)范圍廣，濾波補(bǔ)償精度高，但其投資大，由于長(zhǎng)期導(dǎo)通電過補(bǔ)償，造成其能耗較大，同時(shí)其設(shè)備構(gòu)成也比較復(fù)雜，使維護(hù)難度加大。但是由于其對(duì)電力諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)娘@著效果，其終將成為電力系統(tǒng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕l(fā)展方向。

4.3.3混合型電力濾波設(shè)備

混合型電力濾波設(shè)備結(jié)合了靜態(tài)無(wú)源濾波設(shè)備和有源濾波設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)兩種設(shè)備進(jìn)行了合理的整合使用。即部分容量采用無(wú)源濾波補(bǔ)償?shù)姆绞?，另外依靠有源濾波設(shè)備對(duì)欠補(bǔ)償容量進(jìn)行補(bǔ)充。一方面，部分容量采用靜態(tài)濾波無(wú)功補(bǔ)償，使設(shè)備整體投資對(duì)比有源濾波大大降低，同時(shí)剩余容量采用動(dòng)態(tài)濾波，使補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)變能力相對(duì)靜態(tài)濾波補(bǔ)償設(shè)備大大增加。從而使兩種濾波方式的優(yōu)點(diǎn)得到集中。由于其高超的性價(jià)比，此種方式越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

4.4優(yōu)化供電環(huán)境

保證供電系統(tǒng)三相電壓盡可能平衡同時(shí)選擇最適宜的系統(tǒng)電壓，可以使諧波對(duì)電網(wǎng)的危害有效的降低。增加供電電源容量，可以使諧波分量對(duì)電網(wǎng)的影響大大減小。對(duì)諧波發(fā)生源采用專線供電，使其與其他用電設(shè)備分離，避免其對(duì)其他設(shè)備的干擾，同時(shí)也有利于諧波的集中治理。

五、結(jié)論

由于電網(wǎng)諧波危害的嚴(yán)重性，諧波已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)性問題。隨著電氣化鐵路的大力推廣，電氣化鐵路經(jīng)成為諧波的重要發(fā)生源之一，而且有著與電網(wǎng)常規(guī)諧波分量不一樣的特性。

要準(zhǔn)確了解電氣化鐵路諧波對(duì)電網(wǎng)的影響必須對(duì)電氣化鐵路諧波進(jìn)行深入的分析和研究。針對(duì)系統(tǒng)各部分諧波的特點(diǎn)，科學(xué)選擇諧波治理措施，消除諧波，降低諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，避免諧波造成的事故的發(fā)生，保障鐵路系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張力強(qiáng)，羅文杰，呂利軍.電氣化鐵路牽引負(fù)荷的不利影響及治理方案[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（增）：196-198

[2] 李群湛.我國(guó)高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問題[J].鐵道學(xué)報(bào).2010，32（4）：119-124

[3] 杜習(xí)周，陳棟新，余曉鵬等.電氣化鐵路負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響[J].華中電力.2010，23（6）：35-41

[4] 于坤山，周勝軍，王同勛等.電氣化鐵路供電與電能質(zhì)量[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[5] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)（第二版）[M].西南交通大學(xué)出版社，2007.