軌道交通供電系統電力諧波的分析和治理

摘 要：通過對當前軌道交通供電系統電力諧波產生的原因危害以及相應措施進行分析，揭示了在不同情況下供電系統的諧波的產生和解決措施，表明降低諧波對當前社會供電系統發展的必須性，同時這也是提高我國軌道交通供電系統安全的必然保障。

關鍵詞：軌道供電系統；電力諧波；諧波分析；措施

1 軌道交通供電系統電力諧波分析

軌道交通成為伴隨現代化經濟發展的交通工具，具有運量大、舒適安全、速度快和綠色環保等迎合可持續發展要求的優點，有效的緩解了現代化城市交通擁擠狀況，改善了居民出行條件。目前城市交通供電系統網對軌道交通系統采用了分散供電方式、集中供電方式和混合供電方式三種，但由于我國的供電系統起步晚、供電方式不完善，隨之也出現了許多問題。軌道交通牽引供電系統采用整流設備向電動車組提供其所需直流電源，形成了主要的諧波源，但是當諧波含量超過一定范圍時，就會對電力供電系統、城市軌道交通的照明系統等一系供電系統產生嚴重危害。

2 電力諧波的發生原因及危害

由于牽引整流裝置、整流逆變裝置和照明裝置的廣泛使用，導致軌道交通供電系統產生大量諧波。另外，在軌道交通供電系統中，也有很大部分的非線性負荷投入使用，不僅吸收大量基波，還把一部分功率轉化為諧波功率注入系統，從而成為系統的諧波源，成為產生諧波的最根本原因。

2.1 整流裝置的脈動數有限

在軌道交通供電系統中，牽引變電所里面的整流裝置在工作過程中產生的諧波是供電系統產生諧波的主要原因。整流裝置的換相不能瞬間完成以及脈動數帶來的局限性，諧波的產生可能有連續不斷的幅值頻譜，不能準確的把握由于整流裝置脈動數的不足等都能引起軌道交通供電系統電力諧波的產生，從而影響供電系統的輸出質量和交通供電安全。

2.2 干擾通信系統以及其他設備

諧波通過電氣傳導、電磁感應等多種途徑對通信系統產生干擾，降低通話的清晰度，引起危害過電壓等。除通信系統外，諧波也會對其他設備產生影響，比如，降低斷路器的開斷能力，增大斷弧的難度；延遲甚至阻礙消弧線圈的滅弧功能；電壓互感器也會因為諧振而受到不同程度的損害。具體來說，電視機的畫面會變差、變壞，收音機引起雜音，微機系統以及數據傳輸系統也會出現數據丟失、誤顯示和誤動等問題，給日常生活造成不便。

2.3 引起電力計量誤差

當用戶是線性用戶時，系統成為諧波潮流注入用戶的途徑，用戶吸收的基波電能和部分甚至全部諧波電能就可以用電能表計量出來，當計量值高于基波電能時，用戶不僅要多交電費，還要受到諧波的破壞。反之，當用戶是非線性客戶時，用戶自身在消耗部分諧波的同時還要向電網輸送部分諧波，這時電能表除計量基波電能外還要扣除部分諧波電能和甚至全部和，此時的計量值小于基波電能，用戶不僅少交了電費也避免了污染電網。

2.4 增加供電損耗

由于供電過程產生大量諧波，有可能造成供電設備的附加損耗，使設備產生不必要的機械振動。諧波電流不僅在輸電線路上產生諧波壓降，也增加了輸電線路上的電流有效值，使斷路器斷弧困難，引起附加輸電損耗。此外，現在超大輸出的電力系統中，由于大量諧波形成的諧波電流流過時會產生大量熱量，使設備絕緣加速老化，降低設備壽命，嚴重時還有可能造成供電系統的短路，影響供電質量和供電安全性。

3 電力諧波的主要抑制措施

3.1 增加整流裝置的脈動數

由于整流器是供電系統中主要諧波源之一，在供電系統中所產生的為高次諧波。因此在供電系統中，增加整流裝置的脈動數是降低電力諧波產生的有效措施。當脈動數增加時，整流器產生的諧波次數也隨之增高，諧波電流與諧波次數成反比，因此諧波次數就變的相對較低，幅值增大的諧波就得到消除，從而諧波源就減少電流的產生。例如牽引變電用24脈整流裝置來替代12脈整流裝置，則可以發現整流設備中脈動數越多，其元件裝置的導通角之間的間隙就越小，從而產生的諧波相對來說就會越少，使電流波的形狀將更接近正弦波。因此，對于供電系統中帶有整流原件的設備，要盡可能的增加整流的相數和脈動數，這樣不僅可以較好地減少由諧波源產生的諧波含量，還可以更好的消除低次特征諧波，達到降低諧波的目的。

3.2 諧波源位置安裝濾波器

由于整流裝置正常工作時具有正反電流流向之分，正向是由交流電流向直流電方向，反之逆向是由直流電流向交流電方向，但其中諧波成分較大，所以在諧波源位置安裝濾波器，進而吸收諧波是當前治理軌道交通供電系統中電力諧波的有效措施。濾波器是由R、C、L等元件組成，一般采用三相星型連接，通常連接在大型整流設備與電網連接的地方。為實現無功補償的目的，達到濾波作用，可以采用有源電力濾波器，其是一種動態抑制諧波的新型電力裝置，可以對大小、頻率都有變化的諧波進行補償，采用4個三相PWM電壓型四象限變流器四重連接，以提高系統工作效率，用于補償20KVA三相整流器在交流側所產生的高次諧波和無功電流。安裝無功補償濾波裝置雖然起到濾波作用，但還是達不到電力諧波的治理標準，這就需要根據系統產生的各次諧波，并按照相位的方向進行電力諧波的相互抵消，從而達到抑制諧波的作用。另外，也可以選擇有載調壓的變壓器，及時調整變壓器母線的電壓，既有利于保護變壓器不至于過激磁，也能有效減少諧波的產生。

3.3 電網中加強諧波回路

在軌道交通供電系統中，高次諧波也是影響供電系統質量的主要原因之一。高次諧波主要由電力系統存在的非線性元件和過量負載產生，此外24脈波整流方式的運用，還產生了非特征次諧波。可以通過在電網中增加諧波回路，來消除高次諧波。在具有非線性用電設備的供電網進行無功率補償，除了裝設電容器之外，還要在電容器前連接一個扼流線圈，構成LC串聯諧振電路，并通過調整諧振電路，使諧振頻率低于電網中產生的最低諧波頻率。

3.4 提高電力計量準確性

電能計量裝置必須滿足計量規程要求、精度高以及穩定性好的多功能電能表。通過先進技術的推廣應用，加大計量檢測和計量管理的科技含量，促進計量表的標準化；加強計量表的綜合分析性，合理設計計量結構，提高計量準確性；同時合理調整互感器誤差互補或者采用電壓補償器進行補償，從而降低計量誤差，加強計量運行管理。

3.5 改善供電環境，采用合理的供電方式

一般來說，當電網短路容量比諧波源的變壓器容量高20倍時產生的高次諧波才不會危害供電系統，而且此時產生的諧波電壓、電流也低于規定值。同時，當由較大容量的供電點或是高一級電壓的電網向諧波源供電時，就可以相應的減少諧波對系統或設備的影響，因此在規劃設計電網時必須加以考慮以上問題。另外，確保負荷的三相平衡，就能減少三次諧波的產生。提供專門的線路給諧波源負荷供電也能減少負荷受諧波的影響，利于集中抑制并消除諧波。

3.6 提高設備抗諧波干擾能力，改善諧波保護性

為減少諧波的干擾，加速研制新型的抗諧波設施還是很有必要的。另外，針對諧波敏感設備可以運用靈敏的保護裝置，確保諧波超標時不至于損壞設備，保證設備的正常運行。

4 結束語

通過對軌道交通供電系統電力諧波的分析，研究電力諧波的治理方案，特別是對電力諧波的監控和有效處理，減少電力諧波的含量，有效的降低諧波的數值，使諧波抑制技術進一步發展，從而使電力系統的供電質量和供電安全得到保障。

參考文獻

[1]李忠播.電網高次諧波的危害、規律及抑制[J].電氣開關，2009（2）.

[2]吳競昌.供電系統諧波[M].北京：中國電力出版社，2011（1）.

[3]許克明.電力系統高次諧波[M].重慶：重慶大學出版社，2012（7）.