趙子焜

摘 要：隨著國內(nèi)外項目的廣泛開展、非線性負載在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問題越來越受到關(guān)注。諧波與無功補償密切相關(guān)，并聯(lián)電容器組會引起諧波電流放大以及諧波諧振，使其自身因諧波過流而發(fā)生損壞，同時對電力系統(tǒng)產(chǎn)生惡劣影響。深入研究無功補償和諧波抑制技術(shù)可避免設(shè)備損壞、產(chǎn)品報廢、試驗失敗、數(shù)據(jù)丟失等事故的發(fā)生，優(yōu)化電能質(zhì)量。地鐵供電系統(tǒng)諧波源多樣，產(chǎn)生的諧波種類也比較復(fù)雜為此本文針提出諧波抑制和無功補償?shù)慕鉀Q方案。

關(guān)鍵詞：地鐵供電系統(tǒng)；諧波抑制；無功補償

一、做到地鐵供電系統(tǒng)諧波抑制與無功補償?shù)闹匾饬x

地鐵各類用電設(shè)備均為運營服務(wù)，如何消除諧波電流和無功功率對電網(wǎng)造成的影響，為地鐵供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的使用創(chuàng)造一個既安全又經(jīng)濟的環(huán)境是十分重要的問題。為提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，綜合解決諧波、無功功率問題，諧波及無功功率不僅造成建設(shè)投資浪費和運營成本增大，危及電網(wǎng)本身及其接入設(shè)備，嚴重時還可能影響地鐵行車安全。隨著地鐵建設(shè)的開展和運營經(jīng)驗的積累，地鐵供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題成為業(yè)界普遍關(guān)注的焦點。

二、諧波的危害及無功功率的影響

1.對電力電容器的影響：隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

2.對繼電保護和自動裝置的影響：諧波對電力系統(tǒng)中以負序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重。這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾，則會引起負序電流保護誤動、變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動、母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動，以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

3.對旋轉(zhuǎn)機變壓器的影響：諧波對旋轉(zhuǎn)電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電機會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱，使變壓器附加損耗增加。

4.使測量、計量儀器的指示和計量不準確：由于電力計量裝置都是按50Hz標準的正弦波設(shè)計當(dāng)供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應(yīng)式電能表的正常工作。

5.干擾通信系統(tǒng)的工作：電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，會干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端情況下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。

6.對電網(wǎng)的污染：諧波電流及諧波電壓的出現(xiàn)，對電網(wǎng)是一種污染，使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化。諧波電流會在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生同頻率的諧波電壓并疊加在電網(wǎng)正弦電壓上，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變?；兒蟮恼译妷菏┘釉谒须娖髟O(shè)備端，會對這些設(shè)備正常工作帶來危害。因為電氣設(shè)備均按弦電壓設(shè)計制造，當(dāng)電壓有畸變時，將會使設(shè)備發(fā)熱，力矩不穩(wěn)，甚至損壞。

三、供電系統(tǒng)諧波及無功治理措施

1.采用高脈波數(shù)的整流機組且三相整流變壓器采用Y/△（或△/Y）接線。采用Y/△或△/Y聯(lián)接可以消除3的整數(shù)倍高次諧波，這樣電網(wǎng)中的諧波電流只有5、7、11、13等奇次諧波。又因整流機組產(chǎn)生的高次諧波次數(shù)與整流機組輸出脈波數(shù)有關(guān)，理想情況下，反映到整流機組高壓側(cè)產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)n=K×P±1（式中P為整流機組脈波數(shù)，K為正整數(shù)）。即高次諧波的次數(shù)是整流機組脈波數(shù)的整倍數(shù)，這樣整流機組脈波數(shù)越高，產(chǎn)生較低次諧波越少，對電力系統(tǒng)影響也越小。

2.選用帶有諧波治理和無功補償綜合治理功能的有源濾波裝置。有源電力濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的智能化電力電子設(shè)備。通過對電網(wǎng)中非線性負載產(chǎn)生的諧波進行采樣、分析，控制功率逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成分大小相等、方向相反的諧波電流，注入電網(wǎng)，可對頻率和大小都在變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，從而集中實現(xiàn)諧波抑制并動態(tài)補償無功功率。

3.采用無源濾波裝置。利用電容器、電抗器和電阻器等無源元件適當(dāng)組合而構(gòu)成的濾波裝置，對某一頻率的諧波呈低阻抗通路，與電網(wǎng)阻抗形成分流的關(guān)系，使大部分該頻率的諧波流入濾波器，以達到抑制高次諧波的作用。無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護方便等優(yōu)點，現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中；但由于其濾波特性受供電系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象。

4.采用有源濾波裝置。有源濾波裝置利用可控的功率半導(dǎo)體器件向供電系統(tǒng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點：①具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點；②濾波特性不受供電系統(tǒng)阻抗等影響，可消除與供電系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；③不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理。

結(jié)束語：針對地鐵供電系統(tǒng)中非線性負荷情況及運行特點，在降壓變電所0.4kV側(cè)集中采用帶有諧波治理和無功補償功能的有源電力濾波器既能夠濾除來自供電系統(tǒng)低壓負荷側(cè)的諧波，又能避免對來自牽引負荷側(cè)的諧波放大，可有效提升地鐵供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和設(shè)備運行效率。隨著諧波治理設(shè)備技術(shù)越發(fā)成熟，在實際應(yīng)用中，還可以根據(jù)地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波源的設(shè)備種類及分布情況，通過在諧波源處設(shè)置諧波補償裝置來進行局部諧波治理，從諧波產(chǎn)生源頭更有針對性地治理諧波和補償無功，保障地鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量，確保運營環(huán)境的安全可靠。

參考文獻：

[1]譚復(fù)興，高偉君，等.城市軌道交通系統(tǒng)概論[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2]于松偉，楊興山，韓連祥，張巍，等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計原理與應(yīng)用成都[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2008.

[3]魯楠，地鐵主變電所功率因數(shù)偏低情況及改善措施研究[J].城市建設(shè)，2010，6.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[5]鄭瞳芷，張明銳.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[6]周國強，王福榮，董文俊.地鐵牽引變電所整流機組諧波諧振的抑制[J].電器開關(guān)，2008（6）：60.