地鐵供電系統脈波整流對系統諧波影響

趙大偉 魏宏偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

地鐵供電系統脈波整流對系統諧波影響

趙大偉 魏宏偉

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

地鐵供電系統大量采用可控硅整流設備和非線性負荷投入，在交流側產生大量的諧波電流注入電網，影響公用電網的供電質量。通過對地鐵牽引供電系統諧波分析，給出諧波電流計算方法，求解出各脈波整流機組注入電網諧波電流，通過對各脈波整流機組注入電網的諧波電流進行比較研究，得出整流機組脈波項數對注入電網諧波電流的影響。在此基礎上，提出增加整流機組脈波項數抑制諧波的解決方法和措施。

地鐵 諧波電流 供電系統

在地鐵供電系統中，中壓網絡采用交流系統，通過牽引整流機組把交流電流整流成相對穩定的直流電流供給車輛電能和車載設備用電。由于整流設備單向導電工作，在正反向電壓作用下其電阻值差異很大，因而整流裝置從交流電力系統得到的是非正弦波，這種波形根據系統參數、整流裝置項數、接線和運行條件的不同而發生很大畸變。地鐵牽引供電系統使用大量可控硅整流設備，其高壓側產生大量的諧波電流注入電力系統，不僅直接影響地鐵機車運行安全而且影響公用電網的供電質量。對地鐵牽引供電系統各脈波整流系統注入電網諧波的電流進行分析，提出抑制諧波的主要措施。

1 諧波的產生和危害

地鐵牽引供電系統的諧波主要是牽引變電所整流裝置引起的。整流裝置交流電源的電流為矩形波，該波為工頻基波和基波奇數倍的高次諧波合成的電流波形，故使電壓、電流波形發生畸變。此外，操作動作、系統振蕩、電弧、雷電等也會產生諧波。

當諧波含量超過一定范圍時，對城市電網系統可產生以下危害:

①注入系統的諧波電流會引起電力系統的繼電保護裝置誤動或拒動，影響電網的安全運行。

②注入系統的諧波電流并不做有用功，會消耗在電網內電氣設備及線路上，引起設備發熱，使電機產生機械振動及噪聲，影響電網系統經濟運行。

③諧波造成電網中各種計量儀表產生誤差。

④諧波電流會對周圍的通信傳輸設備產生干擾， 影響信號的傳輸質量。

⑤諧波電流可能會引起電網發生諧波諧振，造成諧波過電流或諧波過電壓危險。

總之， 注入電網的諧波會使電力系統中的電力設備，如變壓器、電容器、電纜等設備發熱，造成絕緣加速老化，減少使用壽命；諧波還對通信信號產生干擾，降低通信質量。電力系統的諧波電壓和諧波電流會對機車的驅動電機產生干擾，影響機車安全可靠運行。

2 諧波電流的計算

地鐵外部電源供電方式一般采用集中供電方式，沿線設置主變電所，從城市電網地區變電站接引兩回獨立可靠的110 kV進線電源供電，通過中壓環網為牽引變電所供電。

設牽引變電所功率為SN，中壓環網等級為UN，則每座牽引變電所注入電網的諧波電流為

(1)

考慮一個主變電所供電范圍內有多座牽引變電所運行，同次諧波電流間存在相位差，且隨諧波次數不同，相位差又有差異。35 kV側諧波電流的疊加可用下列公式計算

(2)

式中，I1h、I2h為第一座牽引變電所、第二座牽引變電所的h次諧波電流；θh為兩座牽引變電所h次諧波電流的相位差。

110 kV側諧波電流可用下列公式計算

(3)

式中，K為主變壓器高低壓側變比。

當主所供電范圍內有超過兩座以上牽引變電所時，諧波電流的疊加計算是先按式(2)疊加兩座，然后再將疊加結果與第三座牽引變電所仍按式(2)相疊加，以此類推。

3 算例

以某地鐵項目為例，詳細闡述諧波電流計算方法，并將各種脈波整流的諧波計算結果進行比較。

某城市地鐵1號線采用集中供電方式，設置客運西站、長風東街主變電所兩座，其中客運西站供電范圍內設置6座牽引變電所。經計算，各牽引變電所注入功率如表1所示。

表1 牽引變電所功率及基波電流

6脈波整流諧波電流及注入電網電流如表2。

表2 6脈波整流各次諧波電流及注入電網電流統計 A

12脈波整流諧波電流及注入電網電流如表3。

18脈波整流諧波電流及注入電網電流如表4。

表4 18脈波整流各次諧波電流及注入電網電流統計 A

24脈波整流諧波電流及注入電網電流如表5。

表5 24脈波整流各次諧波電流及注入電網電流統計 A

4 結論

(1)地鐵供電系統使用的三相整流變壓器一般采用Y/Δ或Δ/Y聯接， 這種聯接本身可以消除3的整數倍的高次諧波，所以地鐵供電系統注入電網中的諧波電流有5、7、11、13、17、19、23、25等奇次諧波。

(2)由計算結果可知，24脈波整流機組注入電網的低次諧波電流明顯比6、12、18脈波整流機組小，通過增加整流變壓器二次側的相數，可以有效抑制低次諧波。

(3)根據計算結果，采用24脈波整流方式有效減少了11、13次諧波含量，但是其23、25次諧波含量較大。由于三相整流機組產生諧波次數較高，其注入電網諧波還需結合諧波注入點電網的強度、諧波傳輸路徑、電纜特性、供電網絡結構、電氣設備參數等因素，進行諧波仿真計算后再分析評估。

[1] Vince Scaini， Bruce M. Urban High Current DC Choppers and Their Operational Benefits. IEEE， 1998 (19)

[2] 鄭瞳熾.城市軌道交通牽引供電系統[M].北京:中國鐵道出版社，2003

[3] 吳樹強.組合式牽引變壓器和配電變壓器的探討[J].鐵道勘察，2012(5)

[4] 王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,2001

[5] 曹肇非.牽引變電站二次防雷設備現場測試方案的探討[J].鐵道勘察，2012(3)

[6] 郎維川.供電系統諧波的產生、危害及其防護對策[J].高電壓技術，2002(6)

Effectofcitytracktrafficonthesystemharmonicpulserectifier

ZHAO Da-wei WEI Hong-wei

2014-10-30

趙大偉(1982—)，男，工程師。

1672-7479(2014)06-0105-02

TM422

： A