地鐵供電系統(tǒng)諧波及無功功率的影響及處理

魏沖　劉超

摘 要：主要對(duì)地鐵供電系統(tǒng)諧波和無功功率的影響和處理展開了探討，并給出了一系列相應(yīng)的處理措施，以期能為有關(guān)方面的研究提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：地鐵供電系統(tǒng)；諧波；無功功率；運(yùn)行質(zhì)量

中圖分類號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.081

在地鐵的供電系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)諧波和無功功率，則會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成極大的影響，進(jìn)而對(duì)地鐵的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此，為了確保地鐵供電系統(tǒng)能正常運(yùn)行，要對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行認(rèn)真分析，并以此為基礎(chǔ)采取有效的措施做好諧波抑制和無功補(bǔ)償，從而保障系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。

1 地鐵諧波和無功功率分析

1.1 供電系統(tǒng)諧波

隨著科技的發(fā)展和人們對(duì)節(jié)能要求的提高，接入地鐵供電系統(tǒng)中的非線性電氣設(shè)備數(shù)量日益增加，其運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波。諧波主要來自機(jī)車牽引裝置和車站機(jī)電設(shè)備兩部分。其中，地鐵牽引供電系統(tǒng)采用牽引整流機(jī)組向列車提供直流電源，牽引整流機(jī)組產(chǎn)生諧波電流的次數(shù)與其輸出的脈波數(shù)有關(guān)——牽引整流機(jī)組的脈波數(shù)越高，則產(chǎn)生的較低次諧波電流越小。國(guó)內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)一般在設(shè)計(jì)時(shí)采用等效24脈波整流，產(chǎn)生的諧波主要為23次和25次諧波。實(shí)際運(yùn)行中的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，諧波含量越小，注入城市電網(wǎng)的諧波電流越能滿足公用電網(wǎng)諧波的要求。此外，地鐵供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還存在很多諧波，在變電所0.4 kV母線側(cè)的諧波特征頻譜豐富，由多段諧波組成。諧波頻譜如圖1所示。

在圖1中，3次、5次、7次、11次、13次諧波主要來自于地鐵車站機(jī)電設(shè)備中的變頻器、UPS、開關(guān)電源和照明等大量非線性負(fù)載，23次和25次諧波電流主要由35 kV整流側(cè)流入0.4 kV。

1.2 供電系統(tǒng)無功功率

在地鐵供電系統(tǒng)中，大部分用電設(shè)備為感性負(fù)荷，而配電采用電纜線路，系統(tǒng)的整體功率因數(shù)較高。通過對(duì)國(guó)內(nèi)已投運(yùn)地鐵線路的統(tǒng)計(jì)，在白天高峰期時(shí)段內(nèi)，各主變電所110 kV側(cè)的功率因數(shù)均在0.9以上，各條線0.4 kV側(cè)的平均功率因數(shù)均

在0.85以上；夜間低谷時(shí)段地鐵停運(yùn)，大量感性負(fù)荷被切斷，供電電纜由于其具有的充電效應(yīng)，造成容性無功功率大量倒送回電網(wǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致功率因數(shù)嚴(yán)重下降。考慮到城市電網(wǎng)遠(yuǎn)期的網(wǎng)絡(luò)接線方案和系統(tǒng)運(yùn)行方式均有可能發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致城市電網(wǎng)容量和諧波阻抗發(fā)生變化，加之城市電網(wǎng)存在背景諧波，一般主變電所均設(shè)置了動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波綜合治理裝置（SVG），而地鐵低壓配電系統(tǒng)設(shè)備繁多，受無功功率的影響大，浪費(fèi)嚴(yán)重，因此，無功功率補(bǔ)償也應(yīng)在0.4 kV側(cè)開展重點(diǎn)治理。

2 諧波的危害和無功功率的影響

諧波在地鐵供電系統(tǒng)中“流竄”、疊加甚至放大，當(dāng)諧波含量超過一定范圍時(shí)，對(duì)供電系統(tǒng)造成的主要危害有4種：①降低用電設(shè)備的工作效率、增大電能損耗；②影響電氣設(shè)備的正常工作，產(chǎn)生振動(dòng)、噪聲、發(fā)熱，縮短電氣設(shè)備的壽命；③誘發(fā)電網(wǎng)諧振，使諧波放大，干擾通信系統(tǒng)的正常工作；④導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

無功功率包含基波無功功率和諧波無功功率，無功功率對(duì)電網(wǎng)的影響主要有以下3個(gè)方面：①會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，進(jìn)而使電氣設(shè)備容量和線纜容量增加；②導(dǎo)致總電流增大，進(jìn)而使設(shè)備和線路的損耗增加；③導(dǎo)致線路和變壓器的電壓降增大，嚴(yán)重降低了供電質(zhì)量。

諧波和無功功率不僅造成建設(shè)投資浪費(fèi)和運(yùn)營(yíng)成本增大，危及電網(wǎng)本身及其接入設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)還可能影響地鐵行車安全。隨著地鐵建設(shè)的開展和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累，地鐵供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量成為業(yè)界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

3 供電系統(tǒng)諧波和無功功率的治理措施

地鐵各類用電設(shè)備均為運(yùn)營(yíng)服務(wù)，如何消除諧波電流和無功功率對(duì)電網(wǎng)造成的影響，為地鐵供電系統(tǒng)中的電氣設(shè)備創(chuàng)造既安全又經(jīng)濟(jì)的環(huán)境是十分重要的問題。根據(jù)上述分析，由于地鐵供電系統(tǒng)諧波和無功功率主要集中在低壓配電系統(tǒng)，因此，著重從變電所0.4 kV側(cè)對(duì)其開展治理。

為了提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，綜合解決諧波、無功功率問題，目前，最好的方法是選用帶有諧波治理和無功補(bǔ)償綜合治理功能的有源濾波裝置。有源電力濾波器（APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的智能化電力電子設(shè)備，主要由諧波信號(hào)的檢測(cè)和補(bǔ)償兩部分組成。通過對(duì)電網(wǎng)中非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行采樣、分析，可控制功率逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波成分相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)，可對(duì)頻率和大小都在變化的諧波、無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

有源電力濾波器的安裝位置不同，通常有特定負(fù)荷的局部補(bǔ)償、部分補(bǔ)償和集中補(bǔ)償三種方式。根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)和負(fù)荷的實(shí)際情況，目前最常用的方法是在地鐵變電所0.4 kV母線側(cè)以并聯(lián)方式接入有源電力濾波器，從而集中實(shí)現(xiàn)諧波抑制并動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。

4 諧波和無功補(bǔ)償容量的計(jì)算

地鐵的各類負(fù)荷具有波動(dòng)性，3次、5次、7次、11次、13次諧波根據(jù)運(yùn)營(yíng)時(shí)段和季節(jié)的不同，會(huì)隨低壓側(cè)設(shè)備的變化而變化，早、晚高峰時(shí)段和夏季諧波較嚴(yán)重。23次、25次諧波隨地鐵運(yùn)行密度的變化而增加，初、近、遠(yuǎn)期車輛密度不斷增大，諧波也更加嚴(yán)重。地鐵低壓配電系統(tǒng)中諧波的成分復(fù)雜，頻率大小不相同。在建設(shè)初期，電氣設(shè)計(jì)人員并不能獲取足夠的電氣設(shè)備諧波數(shù)據(jù)，很難對(duì)諧波進(jìn)行精確計(jì)算。如何在設(shè)計(jì)階段合理選擇補(bǔ)償配置方案并確定有源濾波器的容量是電能質(zhì)量治理工作的重點(diǎn)。

通過對(duì)某城市運(yùn)營(yíng)地鐵線路的調(diào)研，在變電所0.4 kV側(cè)分別采用有源電力濾波器單濾諧波和無功補(bǔ)償裝置單補(bǔ)無功的情況下，針對(duì)不同配電變壓器的容量，變電所0.4 kV側(cè)單段母線有源電力濾波器和無功功率補(bǔ)償裝置分別投入的最大容量如表1所示。

式（1）（2）中：IC為系統(tǒng)諧波補(bǔ)償電流，即系統(tǒng)有源電力濾波器配置容量，A；Ivar為補(bǔ)償無功電流，A；Ur為額定電壓，kV；QC為表1中電容器補(bǔ)償容量，kVar；Ih為表1中APF投入容量，kVA。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)和式（1），并結(jié)合地鐵供電系統(tǒng)的測(cè)試和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，地鐵配電變壓器正常運(yùn)行的實(shí)際負(fù)荷率為0.4～0.5，電流總諧波畸變率為10%～15%.

5 結(jié)束語

綜上所述，諧波和無功功率的出現(xiàn)會(huì)對(duì)地鐵供電系統(tǒng)的運(yùn)行造成極大的影響，因此，需要認(rèn)真分析諧波和無功功率產(chǎn)生的原因，并及時(shí)采取有效措施對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行抑制和補(bǔ)償，從而保障地鐵電網(wǎng)的電能質(zhì)量，確保運(yùn)營(yíng)環(huán)境的安全、可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]陳自滿.地鐵供電系統(tǒng)諧波電流和無功功率綜合治理方案[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2014（07）.

[2]孫才勤.地鐵供電系統(tǒng)諧波無功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009（05）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Mainly for metro power supply system harmonic and reactive power effects and processing are discussed， and gives a series of corresponding treatment measures， in order to provide a useful reference and reference for relevant research.

Key words： subway power supply system； harmonics； reactive power； running quality