電氣化鐵路對電網諧波影響及抑制措施分析

路亞賓 韓金雷

摘要：隨著我國經濟的發展和人民生活水平的提高，鐵路運輸出行成為重要的交通工具。而電氣化鐵路對電網諧波影響危及電力用戶的用電安全。在生產生活中，必須對電網進行諧波治理，消除或者減小諧波對電網的影響，保障電力設備的可靠運行。如今隨著電力機車的廣泛應用，電力機車產生的諧波分量已經對電網造成很大的影響。本文從電氣化鐵路的特點出發，對電力諧波的產生原因和抑制措施進行了分析。

關鍵詞：電氣化鐵路；電網諧波；影響及措施

引言

作為一種非線性負荷的電氣化鐵路牽引機車，會將大量的諧波電流注入到牽引供電系統和電網中，嚴重地影響了電網的電能質量，降低了電網供電的可靠性，從而造成巨大的經濟損失并帶來一定的安全問題。針對電氣化鐵路給電網帶來的諧波污染問題，利用電力電氣軟件分析系統ETAP建立了區域電網仿真模型，對此進行諧波仿真潮流計算，根據仿真得到的數據，分析了電氣化鐵路對電網產生諧波的影響因素以及加裝濾波裝置后對諧波產生的抑制效果。

一、電氣化鐵路對電網諧波影響概述

電氣化鐵路牽引負荷是移動、幅值變化大而又頻繁的特殊負荷，它是一個典型的日波動負荷，具有短時沖擊負荷、不平衡負荷特性，同時含有豐富的諧波，是一個諧波電流源。電氣化鐵路對電網的影響主要是負序和諧波電流兩項影響的綜合。對發電機的影響對鄰近牽引變電所而遠離（指電氣距離）電源的異步電動機，其定子繞組為敏感部位。同時還將在電動機中產生一反向旋轉磁場，此反向磁場對電動機轉子起制動作用，影響其出力。在諧波和負序電流的共同影響下，國內曾發生多起定子繞組過熱燒毀事故。對輸電線路的影響諧波使網損增大，在發生系統諧振或諧波放大的情況下，諧波網損可達到相當大的程度。負序電流流過電網時，它并不作功，只是降低了電力線路的輸送能力。對繼電保護和自動裝置的影響電力機車的開停次數多。而且行進中每當通過無電區要先跳閘再合閘。從而頻繁引起變壓器涌流，產生較大的暫態諧波與負序，這是引起電網繼電保護和自動裝置負序啟動元件誤啟動的主要原因。諧波致使誤動的情況的多是裝于饋供諧波嚴重超規定的若干電氣化鐵道負荷的110kV供電系統中，尤其以下述3類情況誤動最頻繁，有的最大達每日百次以上。①饋供電氣化鐵路的110kV線路距離保護的相電流突變量或負序啟動元件頻繁啟動。在保護阻抗元件不動作條件下，可把距離保護閉鎖住。在保護閉鎖期間，若保護區域發生故障，則該保護裝置就會拒動，從而引起越級跳閘而擴大事故。②線路距離保護的負序啟動振蕩閉鎖裝置頻繁開啟，會導致在系統振蕩或其他偶然因素的配合下（如TV失壓）構成跳閘條件，引起整套保護誤動，主變或線路跳閘。至于線路、變壓器、母差保護與自動裝置在諧波影響下動作或拒動，則屬于不正確動作。對電能計量的影響對電氣化鐵路而言，基波功率為其有效功率，諧波功率為其向電網注入的有害功率——諧波網損。目前常用的電能計量表計為：感應式電能表、電子式電能表。感應式電能表的頻率范圍狹窄，所計量的電能值是基波電能與各次諧波電能的“部分”矢量之和。電子式電能表在1kHz以內頻響特性較好，所計量的電能值是基波電能與各次諧波（1kHz以內）電能的矢量之和。電網中常用的計量方式為：電能表準確反映實際電能，即基波與諧波的綜合電能。

二、諧波的產生原因

（一）電子開關型

主要是各種可控硅整流設備和晶閘管雙向可控開關裝置。這種類型的設備廣泛存在于在電氣化鐵路、冶金企業和很多家用電器中。

（二）磁場飽和型

是各種線圈設備，如電力變壓器、電磁鐵、變壓器和電抗器等。在電力電子設備推廣之前，發電機和變壓器是電力系統中最主要的諧波發生源。

（三）電弧爐

在中頻爐和低頻爐煉鋼的電爐熔煉初期和交流電焊機的焊接過程中，電弧的劇烈變動產生了大量非線性分量，并且由于電弧的不穩定性和波動性，造成電網諧波的構成非常復雜，并且隨負載大小和時間的變化而變化。

三、電氣化鐵路的諧波抑制措施

（一）主動抑制

從諧波發生設備本身入手，避免或者降低設備諧波分量的產生。具體措施有：研發新型整流設備，保證其諧波分量為零且運行功率因數為1。這種整流設備被稱為單位功率因數整流器。即通過調整脈寬校正功率因數的整流電路，在開關電源等中小功率整流設備中已經得到推廣；另外，多脈沖整流電路在電解電源等大功率整流設備中已經得到廣泛使用。

（二）被動抑制

在電力系統中加裝濾波設備，防止諧波分量進入電網，或者阻止諧波分量進入用電設備。即通過加裝無源電力濾波設備、有源電力濾波設備或者混合型電力濾波設備進行諧波治理。依靠濾波設備對諧波分量進行抑制吸收，降低或者消除諧波污染。

（三）混合型電力濾波設備

混合型電力濾波設備結合了靜態無源濾波設備和有源濾波設備的優點，根據系統實際運行情況，對兩種設備進行了合理的整合使用。即部分容量采用無源濾波補償的方式，另外依靠有源濾波設備對欠補償容量進行補充。一方面，部分容量采用靜態濾波無功補償，使設備整體投資對比有源濾波大大降低，同時剩余容量采用動態濾波，使補償設備應變能力相對靜態濾波補償設備大大增加。

（四）有源電力濾波設備

有源電力濾波設備是通過處理器控制，對系統諧波和無功進行實時適量補償的新型濾波補償設備，這種設備可以通過傳感器對實時檢測系統的諧波分量和功率因數，通過高速處理器對信息進行快速分析處理，控制設備的導通角度，從而實現對系統進行實時、精確濾波補償。

結語

由于電網諧波危害的嚴重性，諧波已經成為人們關注的焦點性問題。隨著電氣化鐵路的大力推廣，電氣化鐵路經成為諧波的重要發生源之一，而且有著與電網常規諧波分量不一樣的特性。要準確了解電氣化鐵路諧波對電網的影響必須對電氣化鐵路諧波進行深入的分析和研究。針對系統各部分諧波的特點，科學選擇諧波治理措施，消除諧波，降低諧波對系統的影響，避免諧波造成的事故的發生，保障鐵路系統的可靠運行。

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