許艷飛，李永浩，劉 晗

0 引言

高鐵客運(yùn)站屬于人員高度密集的公共建筑，其站房形式多樣，站房內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)大多具有工藝復(fù)雜、接口眾多的特點(diǎn)。我國高速鐵路建設(shè)得到了快速發(fā)展，與之配套的高鐵站房在建設(shè)規(guī)模及站房內(nèi)用電設(shè)備配置方面較以前有較大不同，尤其是高鐵樞紐站，各類用電負(fù)荷較集中，各類設(shè)備在安裝容量、運(yùn)行特性等方面存在較大差異，同時(shí)也對(duì)電能質(zhì)量提出了較高要求。與此同時(shí)，用電負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流也會(huì)對(duì)電能質(zhì)量造成較大影響。因此，對(duì)高鐵站房的電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測分析，減少諧波電流對(duì)電能質(zhì)量的影響十分必要。目前，鐵路客運(yùn)站中的各類照明設(shè)備、LED顯示屏、安檢設(shè)備、UPS電源、冷水機(jī)組、變頻空調(diào)、變頻風(fēng)機(jī)等均是易產(chǎn)生諧波的負(fù)荷[1]。本文將以京廣高鐵某高鐵站為例，對(duì)上述問題進(jìn)行分析。

1 三相負(fù)載不平衡運(yùn)行分析

在三相四線制供電系統(tǒng)中，線路長期處于三相負(fù)載不平衡運(yùn)行工況，中性線有電流通過，帶來不必要的電能損耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定。為確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須高度重視三相負(fù)載不平衡問題。

1.1 三相負(fù)載不平衡運(yùn)行測定

在三相交流電路中，三相電流值是按正弦規(guī)律變化的，三相電流相位互差一定角度，其值不可能在同一時(shí)刻達(dá)到最大值，因此零線電流值應(yīng)為三相電流的相量和，即

將式（2）—式（4）用復(fù)數(shù)法展開后代入式（1），合并后可得

1.2 三相負(fù)載不平衡運(yùn)行對(duì)電能質(zhì)量的影響

1.2.1 三相不平衡時(shí)附加損耗的計(jì)算

選擇1條典型線路，假設(shè)相線與中性線電阻均為R，當(dāng)處于三相平衡狀態(tài)時(shí)，線路電流為I，則相應(yīng)的平衡狀態(tài)下的線損ΔP為

當(dāng)線路處于三相不平衡狀態(tài)時(shí)，三相電壓、電流相量不對(duì)稱。根據(jù)對(duì)稱分量法，任意1組不對(duì)稱的三相電流相量可以分解為3組三相對(duì)稱的電流相量：正序、負(fù)序和零序電流向量。假設(shè)：

式中：IA、IB、IC分別為A相、B相、C相電流相量的有效值。

當(dāng)線路處于三相不平衡狀態(tài)時(shí)，中性線將有零序電流流過，此時(shí)三相四線制的有功線損ΔP為

式中：IN為中性線電流的有效值，IN= 3I0。

1.2.2 諧波產(chǎn)生的附加損耗計(jì)算

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展以及智能電網(wǎng)、分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行，大量非線性、沖擊性、不平衡性負(fù)荷接入電網(wǎng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)波形失真，給電網(wǎng)帶來了大量諧波污染，進(jìn)而造成嚴(yán)重危害[2]。

為了分析單次諧波畸變的嚴(yán)重程度，本文采用第h次諧波電流含有率HRIh進(jìn)行描述，即

式中：h為諧波次數(shù)；I1為基波電流的有效值；Ih為第h次諧波分量電流有效值。線路的h次諧波阻抗為

式中：R為導(dǎo)體的基波電阻值；Rh為第h次諧波的電阻值。

設(shè)k為正整數(shù)，分2種情況計(jì)算諧波線損。

（1）h= 3k+ 1次諧波屬于正序諧波，h= 3k+ 2次諧波屬于負(fù)序諧波。這2種諧波在平衡狀態(tài)的線路中產(chǎn)生的損耗ΔPh為

（2）h= 3k次諧波屬于零序諧波，故在相線和中性線上均會(huì)產(chǎn)生損耗，其計(jì)算式為

2 站房變電所諧波分析

通過對(duì)該站東南2號(hào)變電所進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析負(fù)荷諧波特性，為制定諧波綜合治理方案提供參考。

2.1 測試方案

搭建測試環(huán)境如圖1所示，通過FLUKE1760三相電能質(zhì)量記錄儀采集總線及兩路支線相關(guān)參數(shù)：三相相電壓UA、UB、UC；三相相電流IA、IB、IC及零線電流IN；各相諧波電流及零線諧波電流。

圖1 電壓電流采集示意圖

2.2 母線測試結(jié)果

采集進(jìn)線三相相電壓、三相相電流、零線電流以及各電流2～30次諧波成分，采集時(shí)間為34 min，采樣間隔為200 ms，共采集數(shù)據(jù)點(diǎn)3 061個(gè)。

2.2.1 三相相電壓測試結(jié)果

通過采集ABC三相對(duì)地電壓值，得到三相相電壓有效值如圖2所示，三相電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 三相相電壓有效值

表1 三相電壓相關(guān)數(shù)據(jù) V

由圖2、表1可以看出，三相電壓的波動(dòng)幅度不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2.2 三相電流測試結(jié)果

通過測試，采集得到的三相電流值如圖3、表2所示。

圖3 三相電流

表2 三相電流相關(guān)數(shù)據(jù) A

由圖3、表2可以看出，三相負(fù)載電流的波動(dòng)幅度不大，基本處于對(duì)稱狀態(tài)。

2.2.3 零線電流測試結(jié)果

采集零線電流如圖4所示。

圖4 零線電流

由圖4可知，零線電流最大值為373.28 A，最小值為305.17 A，平均值為342.03 A。由此可見，零線電流較大，為進(jìn)一步分析電流成分需進(jìn)行諧波電流分析。

2.2.4 三相諧波電流測試結(jié)果

測量某時(shí)間段內(nèi)的2～30次平均諧波電流，其三相諧波的絕對(duì)值測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 三相諧波絕對(duì)值

由圖5可以看出，諧波成分中奇次諧波最多，主要集中在3～15次，其中ABC三相3次諧波成分最嚴(yán)重，均為最大，其次為5，7，9次諧波等。

2.2.5 零線諧波電流

測量某時(shí)間段內(nèi)的零線2～30次平均諧波電流，其結(jié)果如圖6所示。

圖6 零線諧波電流絕對(duì)值

由圖6可以看出，諧波成分主要集中在3次諧波，其值為337.52 A，其次為5、7、9次諧波等，分別為15.01，7.7，10.61 A等。

2.3 支線測試

采集兩路分支的三相相電壓、三相相電流、零線電流以及各電流2～30次諧波成分。

2.3.1 三相相電壓測試結(jié)果

采集ABC三相對(duì)地電壓值，得到兩支路三相相電壓數(shù)據(jù)。支路1的A相電壓在227.43～228.89 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.64 V；B相電壓在227.11～227.73 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.50 V；C相電壓在226.79～227.48 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.18 V。支路2的A相電壓在227.26～228.48 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.94 V；B相電壓在227.53～228.35 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.83 V；C相電壓在226.64～228.13 V范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為227.57 V。

由此可以看出，兩支路的三相電壓波動(dòng)幅度不大，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 三相電流測試結(jié)果

采集ABC三相電流值，得到兩支路三相電流如圖7所示。

圖7 三相電流測試結(jié)果

由圖7的電流曲線可以看出：支路1的A相電流在45.757～46.205 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為45.98 A；B相電流在42.09～42.592 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為42.38 A；C相電流在23.884～24.383 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為24.16 A。支路2的A相電流在13.563～31.785 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為23.40 A；B相電流在21.317～41.268 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為33.52 A；C相電流在33.208～51.211 A范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值為44.14 A。

由此可以看出，三相負(fù)載電流的波動(dòng)幅度較大，負(fù)載處于不對(duì)稱狀態(tài)。

2.3.3 零線電流測試結(jié)果

采集支線零線電流，得到零線電流如圖8所示。

圖8 零線電流測試結(jié)果

在采集時(shí)間段內(nèi)，支路1的零線電流最大值55.634 A，最小值54.998 A，平均值55.357 A；支路2的零線電流最大值25.009 A，最小值15.925 A，平均值19.48 A。零線電流值處于較高水平。

2.3.4 三相諧波電流測試結(jié)果

測量某時(shí)間段內(nèi)的2～30次平均諧波電流，其中三相電流諧波絕對(duì)值的測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 三相諧波電流測試結(jié)果

由圖9可以看出，諧波成分中奇次諧波成分最多，主要集中在3～25次諧波，其中ABC三相3次諧波最嚴(yán)重，均為最大，其次為5次、7次諧波。

2.3.5 零線諧波電流測試結(jié)果

通過測量某時(shí)間段內(nèi)的零線2～30次平均諧波電流可知，諧波成分主要集中在3次諧波，其值為52.101 A，其次為5，7，9次諧波等。采集時(shí)間段內(nèi)零線諧波電流主要成分如表3所示。

表3 零線主要諧波次數(shù)及大小 A

2.4 測試結(jié)論

針對(duì)該站東南站房、西站房內(nèi)商業(yè)用變壓器零線電流較大的情況進(jìn)行現(xiàn)場測試，分析測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，零線電流過大造成的發(fā)熱問題主要是由于負(fù)載所產(chǎn)生的3次諧波導(dǎo)致。經(jīng)過現(xiàn)場分析，這與東南站房、西站房內(nèi)商業(yè)用變壓器的供電負(fù)荷為車站LED廣告顯示屏有關(guān)，其屬于單相整流負(fù)載。

3 諧波危害分析及治理建議

諧波的危害主要是諧波電流造成的影響。諧波電流流過變壓器，導(dǎo)致變壓器產(chǎn)生額外的熱量，引起局部過熱，振動(dòng)、噪聲增大，繞組發(fā)熱等；諧波電流流過低壓電纜，導(dǎo)致電纜過熱，電纜的介質(zhì)損耗和輸電損耗增大，局部放電增加，單相接地等故障的發(fā)生率增大；諧波電流注入電力電容器組時(shí)，電容器產(chǎn)生過負(fù)荷，縮短了其使用壽命，電容器諧波電流放大也可使電容器因過熱而損壞[3]。另外，諧波對(duì)繼電保護(hù)裝置也會(huì)造成不良影響，當(dāng)電源的諧波分量較高時(shí)，易引發(fā)過電流、過電壓保護(hù)的誤動(dòng)作。

抑制諧波有多種方法和方案，可根據(jù)線路和設(shè)備的實(shí)際情況選用合適的方案，當(dāng)前常用的方法有：選用合理的低壓電氣設(shè)備和變壓器接線方式；對(duì)于非線性負(fù)荷與敏感負(fù)荷采用不同的供電線路，對(duì)于諧波含量較大的單體設(shè)備或設(shè)備組采用專用回路供電，并就地設(shè)置有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償[4]；在變電所低壓母線側(cè)設(shè)置濾波裝置。

當(dāng)前電力系統(tǒng)采用的濾波裝置分為無源濾波器和有源濾波器兩種。無源濾波器可濾除某一次或多次諧波，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行成本低、運(yùn)行可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于諧波治理，常用的單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器等均為無源濾波器[5]。有源濾波器能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，而且可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波、無功和三相不平衡的補(bǔ)償[6]，相對(duì)于無源濾波器，其諧波治理效果好，但投資較高。

4 結(jié)語

目前，我國高速鐵路尤其是客運(yùn)專線發(fā)展較快，鐵路客運(yùn)站與城市發(fā)展密切相關(guān)，大型及特大型站房是城市的交通運(yùn)輸樞紐，其供電可靠性直接影響鐵路運(yùn)行安全和運(yùn)輸秩序。本文對(duì)京廣鐵路某高鐵站東南站房、西站房內(nèi)商業(yè)用變壓器零線電流較大的情況展開研究，得到了零線電流過大導(dǎo)致的發(fā)熱問題主要是由于負(fù)載所產(chǎn)生的3次諧波導(dǎo)致的結(jié)論，并提出了相關(guān)的治理建議，為制定有效的諧波治理方案提供參考。