淺析地鐵牽引供電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的諧波影響

摘 要：大規(guī)模的城市軌道交通供電系統(tǒng)經(jīng)由電力電子元件接入城市配電網(wǎng)，給城市電力系統(tǒng)的分析研究帶來(lái)了一些新的諧波問(wèn)題。針對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)中最具代表性的地鐵牽引供電系統(tǒng)，準(zhǔn)確分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，掌握其諧波分布情況，并采取相應(yīng)的諧波措施抑制，為城市配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：地鐵牽引供電系統(tǒng)；配電網(wǎng)；諧波；抑制

引言

地鐵作為目前世界上最為便捷高效的一種城市交通工具，一般直接由城市配電網(wǎng)為其提供電能。由于我國(guó)地鐵采用直流750V或1500V的供電制式，而城市配電網(wǎng)提供的是交流電源，因此需要安裝整流裝置，用以實(shí)現(xiàn)交、直流電源的可靠轉(zhuǎn)換。不僅如此，地鐵機(jī)車(chē)上的逆變器還需要將直流電轉(zhuǎn)換成交流電以供給照明、空調(diào)等輔助供電系統(tǒng)。所以在地鐵與配電網(wǎng)的交互過(guò)程中，以及地鐵牽引網(wǎng)與機(jī)車(chē)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，由于大量電力電子元器件之間的耦合作用，產(chǎn)生的諧波給城市配電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，很容易造成配電網(wǎng)發(fā)生事故并危及整個(gè)城市的供電穩(wěn)定和社會(huì)秩序[1-3]。在2006年的報(bào)道中就有學(xué)者指出在上海地鐵交通體系中，嚴(yán)重的諧波失真會(huì)嚴(yán)重威脅上海配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4]。鑒于此，本文就地鐵牽引供電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的諧波污染問(wèn)題進(jìn)行了初步探討。

1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

我國(guó)地鐵供電系統(tǒng)的供電制式主要采用集中式供電，其各個(gè)部分的組成關(guān)系如圖1所示。發(fā)電廠通常設(shè)在距離電力用戶很遠(yuǎn)的地方，能夠產(chǎn)生電能。針對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常將主變電所以上的部分稱為外部公用電網(wǎng)，主變電所及以下的部分稱作內(nèi)部牽引供電系統(tǒng)，而內(nèi)部系統(tǒng)與外部電網(wǎng)的接口設(shè)在主變電所處。牽引供電系統(tǒng)是內(nèi)部系統(tǒng)重要組成部分，其主要作用是為地鐵機(jī)車(chē)提供電能，主要由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、回流線和走行軌道構(gòu)成；而降壓變電所則是為各車(chē)站、隧道、車(chē)輛段等的動(dòng)力照明負(fù)荷提供電能。

2 公共連接點(diǎn)諧波電流允許值的分配原則

為了抑制諧波污染的對(duì)配電網(wǎng)的危害，國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波電流限制給出了明確規(guī)定。當(dāng)同一公共連接點(diǎn)連接多個(gè)用戶且公共連接點(diǎn)處的最小短路容量和基準(zhǔn)短路容量不相同時(shí)，每個(gè)用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值需要根據(jù)每個(gè)用戶在公共連接點(diǎn)的協(xié)議容量和其供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。第i個(gè)用戶的第n次諧波電流允許值Ini，需按下式確定：

3 諧波對(duì)配電網(wǎng)的危害

諧波給配電網(wǎng)造成的損害不容小覷，比如諧波電流在配電網(wǎng)的電路上會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗，這在線路損耗上占了一定比重，而且因?yàn)橹C波電流的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，當(dāng)高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)引起導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使得諧波電阻大于基波電阻，從而增加了附加線路的損耗，帶來(lái)了大量的能量損失。

不僅如此，諧波也會(huì)使得配電網(wǎng)的架空線路產(chǎn)生電暈損耗，因?yàn)橹C波會(huì)使電壓峰值超過(guò)允許值繼而產(chǎn)生電暈，給架空線路造成威脅。此外電纜輸電系統(tǒng)也會(huì)因?yàn)橹C波大大的縮減了使用壽命，因?yàn)橹C波會(huì)使電壓波形出現(xiàn)尖峰，從而加快電纜的老化速度。而且諧波對(duì)電纜的危害程度會(huì)隨著電纜額定電壓的增高而愈發(fā)惡劣。與此同時(shí)，電纜的分布電容也會(huì)加重諧波對(duì)配電網(wǎng)的危害程度，因?yàn)榉植茧娙輹?huì)對(duì)諧波電流產(chǎn)生放大作用。

諧波帶來(lái)的危害還有很多，諸如增大測(cè)量?jī)x表的測(cè)量誤差；增大旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器的附加損耗；對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生大量的干擾；影響繼電保護(hù)等自動(dòng)控制設(shè)備的可靠運(yùn)行等，以及諧波給配電網(wǎng)造成的污染會(huì)大大降低供電質(zhì)量，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 諧波的抑制

地鐵牽引供電系統(tǒng)的諧波源主要來(lái)自于地鐵牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的諧波和動(dòng)力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。動(dòng)力照明系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波通常可以通過(guò)在降壓變電所出口處安裝濾波器加以濾除，而常用的濾波裝置通常分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩種類型。其中無(wú)緣濾波器可分為高通濾波器、單調(diào)諧濾波器及雙調(diào)諧濾波器等，在實(shí)際應(yīng)用中我們通常采用一級(jí)高通濾波器和幾組單調(diào)諧濾波器組成混合濾波裝置。有源濾波裝置是近幾年的諧波抑制研究重點(diǎn)，主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路組成。有源濾波器克服了無(wú)源濾波器等方法的缺點(diǎn)，不容易受電網(wǎng)阻抗的影響，減小了和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能。此外有源濾波裝置的優(yōu)點(diǎn)還有很多，例如能同時(shí)補(bǔ)償頻率和大小都會(huì)發(fā)生變化的諧波以及變化的無(wú)功功率，即使補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^(guò)一定范圍，有源濾波器也不會(huì)過(guò)載，還能同時(shí)正常補(bǔ)償。從經(jīng)濟(jì)節(jié)能的角度出發(fā)，往往采用有源濾波器和無(wú)源濾波器混合使用的方案，以提高系統(tǒng)的性價(jià)比。

目前地鐵牽引供電系統(tǒng)對(duì)配電網(wǎng)的諧波污染主要通過(guò)改進(jìn)換流裝置來(lái)達(dá)到抑制的效果。因?yàn)楦叽沃C波電流和整流裝置的脈波數(shù)n有密切的聯(lián)系，所以地鐵中通常采用24脈波整流電路，其注入電網(wǎng)的主要是24k±1（k=1，2，3…）次諧波，最底次為23、25次，可以在極大程度上限制諧波的產(chǎn)生，減小了對(duì)城市配電網(wǎng)的諧波污染。但是地鐵實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，還會(huì)由于動(dòng)力照明系統(tǒng)產(chǎn)生一些低次諧波，一般為5次、7次諧波，并且含有11、13、23、25次的高次諧波。所以在實(shí)際的濾波過(guò)程中需要考慮多個(gè)濾波器結(jié)合使用，并與動(dòng)力照明系統(tǒng)的參數(shù)相匹配。關(guān)于換流裝置的分析文獻(xiàn)[5-6]已給出詳細(xì)說(shuō)明，本文不再贅述。文獻(xiàn)[2]分析了鄭州地鐵1號(hào)線列車(chē)在運(yùn)行時(shí)，采用等值24脈動(dòng)整流系統(tǒng)會(huì)減小向城市配電網(wǎng)（110kV主變電所）注入的諧波含量，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公共電網(wǎng)諧波》的要求。但實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表明當(dāng)?shù)罔F牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障或者遇到雷擊等自然災(zāi)害甚至發(fā)生諧振時(shí)，地鐵牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會(huì)同原有的諧波相疊加，給配電網(wǎng)造成極大的危害。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：龔代海（1987-），男，重慶人，工程師，本科，主要從事城市軌道交通供電系統(tǒng)、鐵道供電系統(tǒng)施工管理工作。