趙國榮

中交（西安）鐵道設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710000

1 地鐵低壓配電系統(tǒng)中諧波分布情況

1.1 節(jié)能燈及熒光燈

當(dāng)前地鐵軌道工程中，為提高照明系統(tǒng)節(jié)能屬性，控制工程造價成本，貫徹落實節(jié)能環(huán)保目標(biāo)，普遍選擇配置熒光燈或節(jié)能燈。但是，這類照明燈具存在驅(qū)動電源，以恒壓與恒流開關(guān)電源為主。在燈具運行期間，將會持續(xù)產(chǎn)生諧波，易造成諧波污染。

1.2 弱電系統(tǒng)UPS電源

在地鐵軌道工程中，弱電系統(tǒng)主要包括車站與車輛段等區(qū)域的通信信號、監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)等，這類弱電系統(tǒng)主要由計算機程序、自動化設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，均為一級負(fù)荷，需要配置備用電源UPS以保證系統(tǒng)持續(xù)運行，做到不間斷供電。

1.3 變電所直流屏及消防應(yīng)急電源

在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，消防應(yīng)急電源以及變電所直流屏均設(shè)置整流設(shè)備，存在整流過程。因此，在系統(tǒng)使用過程中產(chǎn)生大量的諧波電流，且這類電流普遍為三相交流輸入，以6k±1次諧波為主。

1.4 軟啟動器

軟啟動器通過控制反并聯(lián)晶閘管組導(dǎo)通角，發(fā)揮裝置控制調(diào)節(jié)輸出電壓值的作用，其具有任意調(diào)節(jié)輸出電壓的優(yōu)勢，是電流閉環(huán)控制模式中的關(guān)鍵設(shè)備。但是，軟啟動器的裝置特性與UPS類型設(shè)備較為相似，使用時主要產(chǎn)生5～7次諧波電流，容易造成諧波污染。

2 諧波對地鐵低壓配電系統(tǒng)造成的影響

2.1 對輸變電設(shè)備造成的影響

地鐵低壓配電系統(tǒng)在受到諧波影響時，會縮短配電線路及設(shè)備的實際使用壽命，偶爾出現(xiàn)繼電保護裝置誤動以及拒動問題，并使電能表計量精度下滑。在出現(xiàn)諧波污染時，還有可能引發(fā)電氣安全事故。諧波對輸變電設(shè)備造成的具體影響如下。

（1）供配電線路。當(dāng)電纜處于配電狀態(tài)時，線路中所產(chǎn)生的諧波電壓將以幅值電壓形式增加介質(zhì)電場磁度，導(dǎo)致局部放電問題以及線路快速升溫，長此以往，就會影響電纜的使用，縮短其使用壽命，且放電、漏電等電氣安全事故的出現(xiàn)概率有所提高。與此同時，電纜額定電壓等級與諧波所造成的危害程度呈正比關(guān)系。此外，當(dāng)導(dǎo)體表面流經(jīng)諧波電流時，將出現(xiàn)臨近效應(yīng)以及集膚效應(yīng)，從而導(dǎo)致線路及設(shè)備出現(xiàn)附加發(fā)熱狀況，加速線路老化，還會伴隨局部放電，且介質(zhì)損耗顯著增加。

（2）繼電保護裝置。在輸變電系統(tǒng)受到諧波污染時，所配置繼電保護裝置的運行狀態(tài)將受到一定程度的影響，可能會出現(xiàn)拒動與誤動問題，導(dǎo)致裝置動作特性畸變。針對這一問題，在多數(shù)地鐵軌道工程中，雖然綜合采取了多項諧波抑制措施，如配置濾波器與采取諧波注入措施等，但隨著非線性設(shè)備配置數(shù)量及額定容量的增加，難以取預(yù)期諧波抑制效果，諧波污染問題尚未得到有效解決。

（3）變壓器。如若配置有普通型號變壓器，則需要重點解決3次及其倍數(shù)次零序諧波污染問題，將諧波含量控制在一定程度，如果諧波含量超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，將會形成換流，進而出現(xiàn)繞組過熱與變壓器輸出端畸變現(xiàn)象。在配置供給不對稱負(fù)荷變壓器時，工作人員應(yīng)額外考慮負(fù)荷電流是否含有直流分量的問題，若含有直流分量，將起到改變變壓器磁路飽和度的作用，進而提高交流勵磁電流諧波分量，導(dǎo)致產(chǎn)生額外的輸電線路熱損耗，加速了線路的老化程度，還降低了其使用質(zhì)量，增加維護及更換成本。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果得知，相同電纜敷設(shè)情況下，如果通過的是高次諧波非正弦電流，電纜使用壽命僅為15年，若通過一般工頻電流，可以將電纜使用壽命增加至25年。

2.2 對通信系統(tǒng)造成的影響

在地鐵通信系統(tǒng)運行期間，當(dāng)受到諧波污染影響時，將會對通話質(zhì)量造成影響，產(chǎn)生雜音，影響通話質(zhì)量，甚至還會導(dǎo)致信號丟失。同時，在同時受到基波以及諧波影響時，將會引起電話鈴響，進而影響通信系統(tǒng)的正常使用，有可能出現(xiàn)設(shè)備損壞與安全事故。

2.3 對地鐵運行安全造成的影響

從地鐵低壓配電系統(tǒng)實際運行情況來看，由于配置了大量的非線性設(shè)備，在系統(tǒng)運行期間，會持續(xù)產(chǎn)生諧波。雖然諧波源由軟啟動器、節(jié)能燈、消防應(yīng)急電源與變電所直流屏等組成，具有分散性特征，單個諧波源并不會對系統(tǒng)及設(shè)備運行狀態(tài)造成明顯影響，但是隨著諧波在400V母線中的匯集，會影響配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，進而給地鐵運行帶來安全隱患。例如，在某項目低壓配電系統(tǒng)中，分布著節(jié)能燈、弱電系統(tǒng)應(yīng)急電源、消防應(yīng)急電源等諧波源，且含有大量3次諧波與9次諧波，兩種諧波在低壓配電系統(tǒng)中產(chǎn)生積聚效應(yīng)，3次與9次諧波在中線上保持為線性疊加狀態(tài)，從而出現(xiàn)電纜過載與絕緣老化現(xiàn)象，且高次諧波對系統(tǒng)所連接儀器設(shè)備的運行質(zhì)量造成影響。最終，該項目配電室區(qū)域出現(xiàn)電氣火災(zāi)安全事故，最終造成38人死亡與嚴(yán)重經(jīng)濟損失。

3 地鐵諧波治理方案

3.1 諧波治理設(shè)備

（1）有源電力濾波器。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中所配置的有源電力濾波器起到控制諧波電流幅值、頻率以及相位的作用，并通過檢測負(fù)載諧波以及輸出電流的方式，抵消一部分諧波源負(fù)載形成的諧波電流，從而減小諧波對低壓配電系統(tǒng)造成的危害，可將其視為一臺諧波發(fā)生器。同時，有源電力濾波器可分為串聯(lián)型與并聯(lián)型兩種。其中，串聯(lián)型濾波器負(fù)責(zé)處理諧波電壓問題；并聯(lián)型濾波器負(fù)責(zé)檢測負(fù)載電流與計算諧波電流，并持續(xù)輸出相同大小與反方向的電流，從而抵消負(fù)載諧波電流。與無源濾波器相比，有源濾波器具有響應(yīng)速度快、補償能力穩(wěn)定、補償方式靈活、不易出現(xiàn)諧振現(xiàn)象的優(yōu)勢。

（2）無源濾波器。無源濾波器是通過電感、電阻以及電容組合構(gòu)成的濾波電路，在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，發(fā)揮著濾除單次與多次諧波的作用，并向負(fù)載諧波電流提供穩(wěn)定阻抗通道，使其與電網(wǎng)阻抗保持分流關(guān)系，將多數(shù)諧波流入濾波器，以此降低諧波對系統(tǒng)造成的危害。與有源電力濾波器相比，無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、采購價格低廉與運行穩(wěn)定的優(yōu)勢，但是，無源濾波器運行狀態(tài)受到系統(tǒng)阻抗影響，諧波實際治理情況與預(yù)期不符，難以徹底解決系統(tǒng)諧波污染，平均諧波濾除率僅為70%。同時，在地鐵低壓配電系統(tǒng)運行期間，偶爾會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

3.2 諧波治理方式

現(xiàn)階段，低壓配電系統(tǒng)常見的諧波治理方法包括就地補償、集中補償以及支路補償三種，結(jié)合地鐵軌道工程特征來看，就地補償以及集中補償方式較為適用。其中，就地補償是在諧波源交流進線部位設(shè)置濾波器，遵循就近補償原則，持續(xù)對周邊設(shè)備線路提供諧波補償，以此消除諧波危害。集中補償是在地鐵低壓配電系統(tǒng)以及電網(wǎng)連接部位中設(shè)置諧波補償裝置，如在用戶變壓器低壓側(cè)部位設(shè)置補償裝置，確保裝置緊鄰變壓器。相比而言，集中補償方式難以徹底解決諧波問題，雖然可以降低電網(wǎng)諧波污染與電氣火災(zāi)事故的出現(xiàn)概率，但諧波源仍舊會對測控與通信等重要負(fù)載造成威脅。就地補償方式的治理效果較佳，但會提高地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波治理成本，且治理方案設(shè)計難度較大，工作人員應(yīng)結(jié)合項目情況合理選擇諧波治理方式。

此外，工作人員需要正確認(rèn)識地鐵車站低壓配電系統(tǒng)諧波治理問題的特殊性，將諧波治理工作側(cè)重于以下方面：第一，最大程度上減小或徹底消除諧波污染對通信信號等影響地鐵列車行車安全的用電負(fù)荷的影響；第二，減小地鐵低壓配電系統(tǒng)對所接入電網(wǎng)造成的諧波污染；第三，重點預(yù)防中性線過載與電氣火災(zāi)事故出現(xiàn)。例如，在某地鐵低壓配電系統(tǒng)諧波治理方案中，對重要且復(fù)雜的通信信號進行分類并進行集中處理，在低壓母排末端集中設(shè)置諧波源，在變壓器側(cè)端設(shè)置需保護負(fù)荷，并在被保護負(fù)荷以及諧波源負(fù)荷間隔區(qū)域設(shè)置濾波器裝置。

3.3 有源濾波裝置容量的選擇

現(xiàn)階段，在多數(shù)地鐵軌道工程中，往往選擇配置有源濾波器，其具有使用可靠、維護簡單、補償速度快與自動化程度高等優(yōu)勢。但是，在有源濾波裝置容量選擇不當(dāng)時，會影響治理效果。因此，在制訂諧波治理方案時，工作人員應(yīng)結(jié)合項目情況與已知信息，掌握各負(fù)載諧波電流有效值與諧波電流總有效值，以其為計算依據(jù)，準(zhǔn)確計算有源電力濾波器的最佳容量。例如，在諧波電流總有效值為103A時，配置120A等級的有源濾波裝置即可。

4 結(jié)束語

綜上所述，為保障地鐵低壓配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，切實滿足現(xiàn)代地鐵軌道工程的用電質(zhì)量可靠性要求，預(yù)防設(shè)備故障與電氣火災(zāi)事故，工作人員必須了解諧波源分布情況，重點分析和研究諧波對低壓配電系統(tǒng)造成的具體影響，進而采取針對性的治理措施，保證諧波治理方案切實可行。