胡仲凡

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，上海200000）

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模和人口數(shù)量不斷增加，對城市公共交通的運(yùn)輸力量以及便捷性都提出了很高的要求，很多大中型城市都加強(qiáng)了地鐵系統(tǒng)的建設(shè)，以滿足城市居民的出行需要，因此要求地鐵系統(tǒng)的配電系統(tǒng)必須安全可靠。但地鐵低壓配電系統(tǒng)存在大量的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，包括UPS、變頻設(shè)備及大量的照明設(shè)備等，設(shè)備在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的諧波也是影響地鐵低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行安全的重要因素。所以要對地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波問題進(jìn)行深入的分析，并采取有效的治理措施，保證地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行，從而推動我國城市公共交通體系的健康發(fā)展。

2 地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波分析

目前，在我國地鐵的低壓配電系統(tǒng)中主要采用的是單母線分段接線方式。當(dāng)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下時，通過母線分段實(shí)現(xiàn)并列運(yùn)行2臺變壓器。而在對其中某臺變壓器進(jìn)行維修以及其發(fā)生故障時，系統(tǒng)可以將三級負(fù)荷切除，一、二級的全部負(fù)荷可以均由另一變壓器設(shè)備來承擔(dān)，這樣可以確保地鐵系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性【1】。在低壓配電系統(tǒng)中包括了通信系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及相關(guān)的電梯等輔助性用電負(fù)荷。

2.1 諧波源在地鐵系統(tǒng)內(nèi)的主要分布情況

在地鐵低壓配電中有不同類型的非線性用電負(fù)荷存在，其主要包括下面幾類電氣設(shè)備。

2.1.1 地鐵系統(tǒng)的軟啟動以及變頻設(shè)備

在地鐵系統(tǒng)中使用了大量的軟啟動設(shè)備以及變頻裝置來減少自動扶梯、風(fēng)機(jī)及水泵在啟動過程中所受到的沖擊，并達(dá)到節(jié)能降耗的目的，不過這些裝置的使用也會導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，且該諧波主要為6 000±1次類型。

2.1.2 地鐵系統(tǒng)的照明設(shè)備

在地鐵系統(tǒng)中使用的照明設(shè)備大多是熒光燈或LED燈，熒光燈的電子鎮(zhèn)流器及LED燈的驅(qū)動電源都會導(dǎo)致諧波電流的形成。由于地鐵系統(tǒng)的照明設(shè)備主要采用的是單相電源的供電方式，因此所產(chǎn)生的諧波主要為2 000±1次類型。

2.1.3 地鐵系統(tǒng)的UPS電源設(shè)備

為了保證地鐵系統(tǒng)中信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等大量弱電設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般需要采用UPS電源來保證供電的連續(xù)性以及供電質(zhì)量，這也是諧波產(chǎn)生的重要來源。

2.1.4 地鐵系統(tǒng)的檢修設(shè)備

在對地鐵隧道或地鐵車站機(jī)房進(jìn)行維修時，往往會有電弧產(chǎn)生，由于電弧具有負(fù)阻特點(diǎn)，因此會導(dǎo)致諧波電流形成。不過由于此類諧波電流通常只在短時間內(nèi)存在，因此并不會對電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生明顯的影響。

2.1.5 地鐵系統(tǒng)的應(yīng)急消防電源以及直流屏等設(shè)備

由于這類電源在運(yùn)行過程中均有整流過程存在，因此有可能有諧波電流形成。同時該類電源大多采用的是三相交流的輸入方式，產(chǎn)生的諧波主要為6 000±1次類型【2】。

2.2 地鐵系統(tǒng)諧波的危害性分析

2.2.1 低壓配電系統(tǒng)諧波對地鐵通信設(shè)備造成的危害

地鐵通信系統(tǒng)在諧波干擾下會產(chǎn)生較大的噪聲，并造成信號出現(xiàn)丟失的情況，不僅會對通話清晰度產(chǎn)生不利的影響，甚至?xí){到相關(guān)人員以及設(shè)備的安全。

2.2.2 低壓配電系統(tǒng)諧波對地鐵輸變系統(tǒng)造成的危害

當(dāng)?shù)罔F低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波時，往往會使繼電保護(hù)設(shè)備發(fā)生拒動和誤動現(xiàn)象，不僅會給系統(tǒng)運(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險，而且還會造成變壓器設(shè)備、無功補(bǔ)償裝置以及輸電線路的使用壽命縮短等經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失。

當(dāng)?shù)罔F低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波電流時，高頻電場內(nèi)的絕緣放電現(xiàn)象會隨之增加，不僅會造成絕緣介質(zhì)溫度升高，而且會增加其損耗，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的使用壽命縮短，從而影響輸電線路的運(yùn)行安全。

當(dāng)?shù)罔F低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波電流時，諧波大多為零序諧波或3次諧波，會造成變壓器繞組溫度急劇升高，必須要采取必要的治理措施【3】。特別是不對稱負(fù)荷供電的變壓器設(shè)備中，一旦有直流分量存在于負(fù)荷電流內(nèi)時，將明顯增加變壓器磁路飽和度，這會使勵磁交流電流中產(chǎn)生大量的諧波分量，嚴(yán)重威脅變壓器設(shè)備的運(yùn)行安全。此外，無功補(bǔ)償電容器會使諧波電流明顯被放大，當(dāng)諧振超過30倍時，就會導(dǎo)致過電流以及過電壓的產(chǎn)生，并造成電容器溫度升高，加大設(shè)備損耗，縮短電容器的使用壽命。

3 地鐵諧波治理解決方案分析

目前，在治理地鐵低壓配電系統(tǒng)的諧波問題時，主要采用的是就地補(bǔ)償以及集中補(bǔ)償方式。所謂就地補(bǔ)償主要是指在交流進(jìn)線的諧波源位置布設(shè)濾波裝置，實(shí)現(xiàn)利用濾波裝置對諧波進(jìn)行就近補(bǔ)償?shù)哪康模@是一種非常有效的補(bǔ)償方式，不過其在實(shí)際應(yīng)用中需要較高的成本。而所謂集中補(bǔ)償則主要指的是將諧波補(bǔ)償裝置設(shè)置在電網(wǎng)連接用戶用電系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)處，這樣諧波源所產(chǎn)生的大量諧波電流在進(jìn)入變壓器母線時就會被有效抑制，這種治理方式能夠?qū)ι霞夒娋W(wǎng)進(jìn)行有效的保護(hù)，而對下級電網(wǎng)的影響不明顯，其優(yōu)勢主要在于治理的成本相對較低。

在對地鐵低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理時，應(yīng)重點(diǎn)減少諧波對地鐵的指揮通信系統(tǒng)以及測控等關(guān)鍵系統(tǒng)的污染，同時，要防止諧波所導(dǎo)致的中線過載引發(fā)火災(zāi)，還要盡量減少低壓配電系統(tǒng)諧波影響自用變壓器和上級電網(wǎng)的運(yùn)行安全。采取對變壓器采取集中補(bǔ)償治理方式雖然在避免發(fā)生火災(zāi)以及防止諧波污染上級電網(wǎng)方面具有較好的效果，然而，其在控制諧波對地鐵重要用電負(fù)載影響方面的效果比較有限，因此，在治理實(shí)踐中為了保障地鐵系統(tǒng)指揮通信以及測控等核心負(fù)載的運(yùn)行安全，應(yīng)采取就地補(bǔ)償方式來對地鐵低壓配系統(tǒng)的諧波污染進(jìn)行治理，從源頭上抑制諧波的形成。同時，在選擇補(bǔ)償方式時還需要充分考慮選型、施工以及補(bǔ)償成本等因素，在保證諧波治理效果的基礎(chǔ)上應(yīng)科學(xué)選擇濾波設(shè)備型號，合理確定裝置數(shù)量，降低諧波治理成本，并根據(jù)地鐵低壓配電系統(tǒng)中負(fù)載類型的不同，綜合運(yùn)用集中補(bǔ)償與就地補(bǔ)償方式，全面提高諧波治理的有效性和經(jīng)濟(jì)性。

在諧波治理時，應(yīng)集中對需要重點(diǎn)保護(hù)的指揮通信負(fù)載、測控負(fù)載以及其他諧波源負(fù)荷進(jìn)行類型劃分，并根據(jù)其類型的不同來合理設(shè)計負(fù)載在系統(tǒng)中的位置。例如，可考慮在低壓母排末端集中設(shè)置諧波源的主要負(fù)載，并在與變壓器相鄰的一側(cè)設(shè)置各種需要重點(diǎn)保護(hù)的負(fù)載。在重點(diǎn)保護(hù)負(fù)載和諧波源負(fù)載間應(yīng)設(shè)置濾波裝置，以達(dá)到集中補(bǔ)償治理的目的，這樣使地鐵低壓配電系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過治理后僅在諧波源負(fù)載間存在，既能夠有效降低諧波對上級電網(wǎng)和地鐵系統(tǒng)核心負(fù)載的污染，又能夠合理控制治理成本。

4 PSCAD仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證濾波裝置對地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波的抑制作用，可以采用PSCAD軟件來模擬現(xiàn)場工況，并分析濾波的具體效果。在構(gòu)建仿真模型時，現(xiàn)場電網(wǎng)進(jìn)線參數(shù)按110kV設(shè)置，并將變壓器參數(shù)分別設(shè)置為35V/0.4kV和110kV/35kV。同時，將空調(diào)負(fù)荷容量控制在200～300kW，總照明容量參數(shù)設(shè)置為100kW左右。此外，還要設(shè)置100～120kW的總UPS總?cè)萘恳约?5～30kW的電梯容量，而短路容量則設(shè)置為2 000MV·A。通過對某次進(jìn)行了2s的仿真模擬分析，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行1s和1.5s后分別投入有源濾波裝置以及無功補(bǔ)償裝置，當(dāng)投入有源濾波裝置以及無功補(bǔ)償裝置后，有效改善了電流以及電壓波形，同時畸變率也降到了國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的3%。特別是當(dāng)無功補(bǔ)償裝置與濾波裝置的相互配合，使電網(wǎng)側(cè)所產(chǎn)生的諧波電流出現(xiàn)了明顯的減少，進(jìn)一步提高了濾波效果，達(dá)到了治理諧波的目的。

5 結(jié)語

地鐵低壓配電系統(tǒng)會直接影響地鐵系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)營，而諧波是影響地鐵低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行安全性和可靠性的重要因素，因此必須對其采取有效的治理措施，并通過仿真模擬等技術(shù)手段來分析治理的效果。通過現(xiàn)場試驗(yàn)以及仿真分析發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置無功補(bǔ)償裝置以及有源濾波裝置的方式能夠有效改善電壓電纜在電網(wǎng)側(cè)的波形，并減少負(fù)載所產(chǎn)生的諧波。而且濾波器與電容補(bǔ)償柜的配合使用能夠進(jìn)一步提高濾波效果，從而為保證地鐵系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供更加可靠的保障。