地鐵供電系統的諧波與無功綜合治理

摘 要：地鐵直流供電系統大量投入使用整流機組、變頻設備、電纜線路以及配備的非線性電力電子裝置，使得地鐵供電系統諧波含量豐富、容性電流大、無功倒送、等一系列諧波和無功問題。采取諧波和無功綜合治理的措施可以保證地鐵供電質量，確保地鐵的安全運行。綜合治理遵循抑制諧波為主，無功補償為輔的原則。

關鍵詞：地鐵供電；諧波；無功；治理

一、地鐵的供電系統

地鐵供電系統的作用是向地鐵列車和用電設備提供電能，是地鐵的重要組成部分和動力來源。地鐵的供電系統可以分為外部供電系統和內部供電系統。外部供電系統即地鐵的一次高壓電源系統，通過主變電所連接城市電網，可采用集中式、分散式和混合式三種方式供電。[1]地鐵的內部供電系統則包含牽引供電系統和動力照明系統。其中，牽引供電系統是地鐵供電系統的核心，由牽引變電所和接觸網組成，用于牽引地鐵機車；動力照明系統負責給區間、車站內的各類照明設施和動力設備、通信設備及自動化設備提供電能。地鐵供電系統的結構如圖1所示。

當前，國內城市地鐵大多采用110/35kV的兩級電壓集中供電方式。這種供電方式主要由外部電源、主變電所、中壓環網、牽引變電所和降壓變電所構成。每個主變電所從城市電網引入2路110kV電源互為備用，降壓至地鐵所需的35kV中壓系統，然后通過中壓環網向牽引變電所和降壓變電所供電。中壓環網采用分區供電，幾個相鄰的牽引變電所通過串接的方式構成一個供電分區。主變電所向每個供電分區的一個變電所供電，分區的其他變電所則通過串接的方式獲得電源。各個牽引變電所之間通過交流電纜連接，這樣就構成了地鐵的集中供電系統，如圖2所示。

二、地鐵供電系統的諧波

地鐵供電系統的諧波主要來源于兩方面：一是牽引變電所內的整流機組，二是含有變頻設備的動力照明負荷。

牽引變電所是地鐵供電系統的核心部分。在牽引變電所內，35kV的三相高壓交流電經降壓、整流之后輸出1500V或750V的低壓直流電，向牽引機車供電。整流機組是牽引變電所的關鍵設備，一般采用多脈沖整流電路來實現。目前，三相橋式整流電路構成的12脈波整流電路和等效24脈波整流電路被廣泛使用。在運行過程中，整流機組會產生11、13、23、25次諧波。整流機組是地鐵供電系統最主要的諧波源。

地鐵的動力照明負荷主要包括照明熒光燈、空調、自動扶梯、風機、水泵、消防設備等，這些設備大多屬于非線性設備，必然會對電網造成諧波影響。動力照明負荷主要產生5、7次諧波。[2]

高次諧波電流通過變壓器時，變壓器鐵芯損耗明顯增大出現過熱，導致變壓器的效率降低，壽命縮短；諧波電壓加至電容器兩端時，由于電容對高次諧波呈現零阻抗，使得電容器過負荷導致損壞；諧波在供電系統內流竄、疊加甚至放大的過程中，會使得電纜的情況下內耗、發熱大幅增加而嚴重縮短其使用年限；高次諧波的干擾還會導致空氣開關的誤動作，引起大面積停電，影響地鐵設備的正常工作和運營。諧波污染不僅會對地鐵造成一定的影響，還會影響其他企業和居民的用電質量。

三、地鐵供電系統的無功功率

地鐵供電系統的無功功率主要來源于機車牽引負荷、變壓器、電纜線路和動力照明負荷。由于機車采用直流供電，牽引負荷的功率因數較高，一般能達到0.95以上；動力負荷的功率因數最低，一般為0.75左右；照明負荷的功率因數0.8左右。因為動力照明負荷的負載持續率各不相同，比較難以控制和補償。

機車牽引供電系統中的電機、變壓器和較長供電線路在運行中需要消耗無功功率，產生大量的感性無功損耗。由于地鐵系統的特殊性，大量使用的高低壓電纜則會向電網提供容性無功功率。

由于地鐵運行的特點，白天的用電負荷比夜間停運的用電負荷大得多。白天牽引機車和一些輔助用電設備（如照明、風機、水泵等）會消耗一部分電纜的無功功率，在沒有無功補償的情況下總體功率因數較高。夜間地鐵停運，風機照明等設備停止工作，只有變壓器消耗少量無功，感性負荷輸出減少，電纜的充電無功效應明顯，會出現無功倒送現象，導致夜間功率因數大大下降，只有0.4左右。這不僅造成大量電能的浪費，而且容性無功功率還會使得供電端電壓升高，對電纜和供電設備產生危害。

四、地鐵供電系統諧波和無功的綜合治理

鑒于地鐵供電系統的諧波更具危害性，綜合治理應遵循以抑制諧波為主，無功補償為輔的原則。

目前我國地鐵供電系統的諧波無功治理主要采用在車站降壓變電所0.4kV側設置固定式無功補償裝置，即無源濾波器。無源濾波器通過對電感、電阻和電容的組合設計構成LC濾波電路，可以濾除系統中特定的高次諧波，同時它在與無功負載并聯使用的過程中還起到無功補償的作用。[3]

對于地鐵供電系統，白天和夜晚的用電負荷差別較大。系統的無功功率變化時，無源濾波器無法實現動態補償，并且一種參數只能補償特定次數的諧波，當電力系統阻抗發生變化時甚至有可能引發諧振，對于控制供電系統的總功率因數效果也不大。在實際運行中，僅用無源濾波器無法滿足國家規范的要求。近年來，有源濾波技術開始規模化應用。

有源濾波器是一種兼有動態抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，主要由諧波信號的檢測和補償兩部分組成，通過對電網中的諧波進行采樣分析，可控制功率逆變器產生與之成分相等、方向相反的諧波電流注入電網從而對它能夠對頻率和幅值都發生變化的諧波和無功進行補償，具有更好的補償特性。有源濾波器可以并聯在變電所0.4kV側母線處，實現諧波與無功的綜合治理作用。

今后，隨著技術的發展，在諧波源處設置諧波與無功的綜合治理設備，可使得治理措施更具目標性和針對性，保證地鐵電網的可靠性，確保地鐵的安全運行。

參考文獻：

[1]王鴻.地鐵供電系統可靠性分析[J].技術與市場，2012，19（07）：57-58.

[2]孫才勤.地鐵供電系統諧波無功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009（05）：40-43.

[3]李建民.城市軌道交通供電系統概論[M].北京：機械工業出版社，2015：185-214.

作者簡介：王睿（1973-），女，漢族，河南鹿邑人，本科，講師，研究方向：鐵道供電。