張元君

摘要：隨著國家電氣化鐵道的發(fā)展，特別是高速鐵路的快速發(fā)展，鐵道供電系統(tǒng)也產(chǎn)生了大量的諧波污染，極大地影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行。本文主要基于對諧波的概念、產(chǎn)生和檢測以及如何采取有效的措施進(jìn)行治理展開敘述。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道;供電系統(tǒng);諧波;檢測及治理

引言

電氣化鐵道的迅速發(fā)展，其中高次諧波為主的電能質(zhì)量問題也日漸明顯，隨著高速鐵路接入電網(wǎng)的方式發(fā)生變化，電力電子元件的應(yīng)用等方案也得到創(chuàng)新，在今后的一段時間內(nèi)，電氣化鐵道供電系統(tǒng)諧波的檢測與治理將成為廣大科研人員的關(guān)注熱點(diǎn)問題。因此，深入探討電氣化鐵道供電系統(tǒng)諧波問題是具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價值的。

一、供電系統(tǒng)諧波的基本概念

諧波是指對周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50Hz）相同的分量。高次諧波的干擾是當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”，亟待采取對策。供電系統(tǒng)諧波這一專業(yè)術(shù)語在國際電工學(xué)術(shù)界被定義為是具有一定周期的正弦弘波分量的電氣量，諧波的周期頻率為工頻的整數(shù)倍，也就是說任何具有周期性的畸變波形都可以用若干正弦波形的總數(shù)和來表示。在具體電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，需要明確有關(guān)諧波的一下幾個問題：

（一）簡諧波和次諧波

在負(fù)電荷通過一些沒有運(yùn)動規(guī)律和規(guī)則的諧波電流時，他們的運(yùn)動頻率和周期也不再是整數(shù)倍，是分?jǐn)?shù)次諧波。頻率為基波非整數(shù)倍的分量稱為間諧波，有時候也將低于基波的間諧波稱為次諧波，次諧波可看成直流與工頻之間的間諧波。

（二）諧波和暫態(tài)現(xiàn)象

在進(jìn)行電氣化鐵道具體施工和操作之前，需要明確諧波和暫態(tài)現(xiàn)象是兩個截然不同的概念，也是兩種不同的物理現(xiàn)象。當(dāng)電氣化鐵道供電系統(tǒng)受到外界環(huán)境干擾時，會呈現(xiàn)出高頻的特征，而處在這種狀態(tài)的諧波并不是間諧波，而是暫態(tài)狀態(tài)。

（三）陷波現(xiàn)象

陷波是電力電子裝置在正常工作情況下，交流輸入電流從一相切換到另一相時產(chǎn)生的周期性電壓擾動。陷波現(xiàn)象并不直接屬于諧波范疇，但他也是周期性的。

二、電氣化鐵路供電系統(tǒng)諧波的治理措施

（一）電氣化鐵路諧波的治理措施

經(jīng)過多年研究，已經(jīng)掌握了幾種有效治理供電系統(tǒng)諧波的措施和方案，其中頗具效果的是以下兩種：

（1）嚴(yán)格按照國家對電氣化鐵路供電系統(tǒng)諧波的要求，加強(qiáng)對其檢測

一般而言，在變電所內(nèi)設(shè)置一些有關(guān)供電系統(tǒng)諧波檢測分析系統(tǒng)，主要是用于電氣化鐵路牽引變電所，能夠?qū)﹄妷?、電流、有功功率等發(fā)揮作用，并且將檢測的記錄統(tǒng)計在設(shè)備內(nèi)，以供未來分析使用。目前這種方式已經(jīng)應(yīng)用在京滬高速鐵路、哈大客運(yùn)專線等多條電氣化程度較高的鐵路上。

（2）加裝靜止無功補(bǔ)償裝置

在電氣化鐵道供電系統(tǒng)變電站中加進(jìn)去真空開關(guān)并加加入諧波過濾補(bǔ)償器。補(bǔ)償裝置電路通過串聯(lián)的方式和電抗器連接在一起，并接于主變壓器的牽引繞組上。采用這種方式對供電系統(tǒng)的諧波進(jìn)行治理的好處主要由以下幾點(diǎn)：首先是需要很小的補(bǔ)償設(shè)備容量就可以完成上述任務(wù)，能夠節(jié)省投資，同時還可以補(bǔ)償基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)線路電感產(chǎn)生的無功功率。其次是能夠根據(jù)電壁的無功電流調(diào)整補(bǔ)償量，而且流入電力網(wǎng)的無功電流與諧波電流相對也比較小，能夠提高變電站的功率因素。

總之，基于開關(guān)投切時間的隨機(jī)性質(zhì)，投機(jī)時會有很大的電流沖擊與很高的過電壓，很容易會對開關(guān)造成損傷，因此操作時需要格外這一點(diǎn)。但是目前這種缺陷已經(jīng)得到有效解決和避免。而且這種方式也應(yīng)用到南昆電氣化鐵路中，并且在不斷地完善和改進(jìn)。

（二）供電系統(tǒng)諧波的治理方案

對于電氣化鐵路供電系統(tǒng)諧波的治理方案主要分為以下幾種：

（1）在諧波源的位置上安裝濾波裝置

目前這種方法被廣泛應(yīng)用到供電系統(tǒng)諧波的控制和治理方面。特別是在高速公路的供電系統(tǒng)中得到充分使用。濾波裝置主要分為以下幾種：首先是無源濾波裝置。這只最簡單的一種裝置，僅有電感元件、電容元件以及電阻元件三種原件組成。這一類濾波器主要時設(shè)置在供電系統(tǒng)諧波源頭附近或者兩側(cè)，當(dāng)高頻率的諧波和次諧波電流頻率相匹配時，便可以阻礙更高頻率的諧波進(jìn)入供電系統(tǒng)，對電網(wǎng)造成不利影響。這一類裝置的主要優(yōu)點(diǎn)在于投資小，維護(hù)起來便利，結(jié)構(gòu)簡單等。這是目前抑制諧波和無功補(bǔ)償?shù)闹饕胧?。但這一類裝置也存在缺陷，即濾波效果與系統(tǒng)阻抗特性緊密相關(guān)，在碰到低頻、高頻等諧波時不僅會削減功效，甚至還會失去效果，且他的工作狀態(tài)也會收到溫度等外界環(huán)境的影響。第二種濾波裝置是有源濾波器。這種裝置的工作原理在于實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的方法，即利用可以使用的半導(dǎo)體向電網(wǎng)內(nèi)注入幅度大小相同、相位相反的諧波電流，這樣可使電流中的諧波相互抵消。這種裝置與無源濾波裝置相比，濾波效果并不受到抗性的影響，相對獨(dú)立性較強(qiáng)。而且這種裝置也具有較高的可靠性和可控性，能夠?qū)Ω鞣N現(xiàn)象做出靈敏反應(yīng)，技能補(bǔ)償各種次諧波，抑制閃變現(xiàn)象，也能補(bǔ)償無功率。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，這類裝置的技術(shù)含量也在不斷提高，并且被廣泛應(yīng)用在各大電氣鐵道中，尤其是應(yīng)用在高速公路方面。最后一種是混合濾波器。主要是將前兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，缺點(diǎn)相互抵消，能夠改善濾波器的特性還能避免發(fā)生諧振的缺點(diǎn)。

（2）限制電容器組的投入數(shù)量

在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中并聯(lián)進(jìn)去電容器可以有效調(diào)節(jié)電壓，矯正功率因素。這一方法對供電系統(tǒng)額組頻特性影響極其大。當(dāng)諧波注入后，會在一定程度下，起到諧波方法作用，損壞電氣設(shè)備，甚至?xí)θ松戆踩斐蓚?，所以?yīng)當(dāng)在允許的情況下，投入串聯(lián)的電抗器，避免諧波放大。

（3）增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是控制和治理諧波的有效手段之一，并且產(chǎn)生的效果與裝置的諧波電流成分有關(guān)。由于諧波電流與諧波次數(shù)成反方向變動關(guān)系，因此，可以通過增加脈動數(shù)量來增加整個系統(tǒng)裝置的諧波次數(shù)，這一可以大大降低諧波產(chǎn)生的諧波電流。

總結(jié)：本文主要圍繞電氣化鐵路供電系統(tǒng)諧波的概念以及如何有效治理展開詳細(xì)敘述，并提出幾點(diǎn)有效建議。這對包括高速鐵路在內(nèi)的電氣化鐵道的發(fā)展和其供電系統(tǒng)的諧波認(rèn)識與處理均有重要的指導(dǎo)意義。

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