地鐵低壓配電系統諧波分析與治理

趙國榮

中交（西安）鐵道設計研究院有限公司，陜西 西安 710000

1 地鐵低壓配電系統中諧波分布情況

1.1 節能燈及熒光燈

當前地鐵軌道工程中，為提高照明系統節能屬性，控制工程造價成本，貫徹落實節能環保目標，普遍選擇配置熒光燈或節能燈。但是，這類照明燈具存在驅動電源，以恒壓與恒流開關電源為主。在燈具運行期間，將會持續產生諧波，易造成諧波污染。

1.2 弱電系統UPS電源

在地鐵軌道工程中，弱電系統主要包括車站與車輛段等區域的通信信號、監控系統、乘客信息系統、自動售檢票系統與門禁系統等，這類弱電系統主要由計算機程序、自動化設備及網絡設備組成，均為一級負荷，需要配置備用電源UPS以保證系統持續運行，做到不間斷供電。

1.3 變電所直流屏及消防應急電源

在地鐵低壓配電系統中，消防應急電源以及變電所直流屏均設置整流設備，存在整流過程。因此，在系統使用過程中產生大量的諧波電流，且這類電流普遍為三相交流輸入，以6k±1次諧波為主。

1.4 軟啟動器

軟啟動器通過控制反并聯晶閘管組導通角，發揮裝置控制調節輸出電壓值的作用，其具有任意調節輸出電壓的優勢，是電流閉環控制模式中的關鍵設備。但是，軟啟動器的裝置特性與UPS類型設備較為相似，使用時主要產生5～7次諧波電流，容易造成諧波污染。

2 諧波對地鐵低壓配電系統造成的影響

2.1 對輸變電設備造成的影響

地鐵低壓配電系統在受到諧波影響時，會縮短配電線路及設備的實際使用壽命，偶爾出現繼電保護裝置誤動以及拒動問題，并使電能表計量精度下滑。在出現諧波污染時，還有可能引發電氣安全事故。諧波對輸變電設備造成的具體影響如下。

（1）供配電線路。當電纜處于配電狀態時，線路中所產生的諧波電壓將以幅值電壓形式增加介質電場磁度，導致局部放電問題以及線路快速升溫，長此以往，就會影響電纜的使用，縮短其使用壽命，且放電、漏電等電氣安全事故的出現概率有所提高。與此同時，電纜額定電壓等級與諧波所造成的危害程度呈正比關系。此外，當導體表面流經諧波電流時，將出現臨近效應以及集膚效應，從而導致線路及設備出現附加發熱狀況，加速線路老化，還會伴隨局部放電，且介質損耗顯著增加。

（2）繼電保護裝置。在輸變電系統受到諧波污染時，所配置繼電保護裝置的運行狀態將受到一定程度的影響，可能會出現拒動與誤動問題，導致裝置動作特性畸變。針對這一問題，在多數地鐵軌道工程中，雖然綜合采取了多項諧波抑制措施，如配置濾波器與采取諧波注入措施等，但隨著非線性設備配置數量及額定容量的增加，難以取預期諧波抑制效果，諧波污染問題尚未得到有效解決。

（3）變壓器。如若配置有普通型號變壓器，則需要重點解決3次及其倍數次零序諧波污染問題，將諧波含量控制在一定程度，如果諧波含量超過相應標準，將會形成換流，進而出現繞組過熱與變壓器輸出端畸變現象。在配置供給不對稱負荷變壓器時，工作人員應額外考慮負荷電流是否含有直流分量的問題，若含有直流分量，將起到改變變壓器磁路飽和度的作用，進而提高交流勵磁電流諧波分量，導致產生額外的輸電線路熱損耗，加速了線路的老化程度，還降低了其使用質量，增加維護及更換成本。根據相關試驗結果得知，相同電纜敷設情況下，如果通過的是高次諧波非正弦電流，電纜使用壽命僅為15年，若通過一般工頻電流，可以將電纜使用壽命增加至25年。

2.2 對通信系統造成的影響

在地鐵通信系統運行期間，當受到諧波污染影響時，將會對通話質量造成影響，產生雜音，影響通話質量，甚至還會導致信號丟失。同時，在同時受到基波以及諧波影響時，將會引起電話鈴響，進而影響通信系統的正常使用，有可能出現設備損壞與安全事故。

2.3 對地鐵運行安全造成的影響

從地鐵低壓配電系統實際運行情況來看，由于配置了大量的非線性設備，在系統運行期間，會持續產生諧波。雖然諧波源由軟啟動器、節能燈、消防應急電源與變電所直流屏等組成，具有分散性特征，單個諧波源并不會對系統及設備運行狀態造成明顯影響，但是隨著諧波在400V母線中的匯集，會影響配電系統的穩定運行，進而給地鐵運行帶來安全隱患。例如，在某項目低壓配電系統中，分布著節能燈、弱電系統應急電源、消防應急電源等諧波源，且含有大量3次諧波與9次諧波，兩種諧波在低壓配電系統中產生積聚效應，3次與9次諧波在中線上保持為線性疊加狀態，從而出現電纜過載與絕緣老化現象，且高次諧波對系統所連接儀器設備的運行質量造成影響。最終，該項目配電室區域出現電氣火災安全事故，最終造成38人死亡與嚴重經濟損失。

3 地鐵諧波治理方案

3.1 諧波治理設備

（1）有源電力濾波器。在地鐵低壓配電系統中所配置的有源電力濾波器起到控制諧波電流幅值、頻率以及相位的作用，并通過檢測負載諧波以及輸出電流的方式，抵消一部分諧波源負載形成的諧波電流，從而減小諧波對低壓配電系統造成的危害，可將其視為一臺諧波發生器。同時，有源電力濾波器可分為串聯型與并聯型兩種。其中，串聯型濾波器負責處理諧波電壓問題；并聯型濾波器負責檢測負載電流與計算諧波電流，并持續輸出相同大小與反方向的電流，從而抵消負載諧波電流。與無源濾波器相比，有源濾波器具有響應速度快、補償能力穩定、補償方式靈活、不易出現諧振現象的優勢。

（2）無源濾波器。無源濾波器是通過電感、電阻以及電容組合構成的濾波電路，在地鐵低壓配電系統中，發揮著濾除單次與多次諧波的作用，并向負載諧波電流提供穩定阻抗通道，使其與電網阻抗保持分流關系，將多數諧波流入濾波器，以此降低諧波對系統造成的危害。與有源電力濾波器相比，無源濾波器具有結構簡單、采購價格低廉與運行穩定的優勢，但是，無源濾波器運行狀態受到系統阻抗影響，諧波實際治理情況與預期不符，難以徹底解決系統諧波污染，平均諧波濾除率僅為70%。同時，在地鐵低壓配電系統運行期間，偶爾會出現諧振現象。

3.2 諧波治理方式

現階段，低壓配電系統常見的諧波治理方法包括就地補償、集中補償以及支路補償三種，結合地鐵軌道工程特征來看，就地補償以及集中補償方式較為適用。其中，就地補償是在諧波源交流進線部位設置濾波器，遵循就近補償原則，持續對周邊設備線路提供諧波補償，以此消除諧波危害。集中補償是在地鐵低壓配電系統以及電網連接部位中設置諧波補償裝置，如在用戶變壓器低壓側部位設置補償裝置，確保裝置緊鄰變壓器。相比而言，集中補償方式難以徹底解決諧波問題，雖然可以降低電網諧波污染與電氣火災事故的出現概率，但諧波源仍舊會對測控與通信等重要負載造成威脅。就地補償方式的治理效果較佳，但會提高地鐵低壓配電系統諧波治理成本，且治理方案設計難度較大，工作人員應結合項目情況合理選擇諧波治理方式。

此外，工作人員需要正確認識地鐵車站低壓配電系統諧波治理問題的特殊性，將諧波治理工作側重于以下方面：第一，最大程度上減小或徹底消除諧波污染對通信信號等影響地鐵列車行車安全的用電負荷的影響；第二，減小地鐵低壓配電系統對所接入電網造成的諧波污染；第三，重點預防中性線過載與電氣火災事故出現。例如，在某地鐵低壓配電系統諧波治理方案中，對重要且復雜的通信信號進行分類并進行集中處理，在低壓母排末端集中設置諧波源，在變壓器側端設置需保護負荷，并在被保護負荷以及諧波源負荷間隔區域設置濾波器裝置。

3.3 有源濾波裝置容量的選擇

現階段，在多數地鐵軌道工程中，往往選擇配置有源濾波器，其具有使用可靠、維護簡單、補償速度快與自動化程度高等優勢。但是，在有源濾波裝置容量選擇不當時，會影響治理效果。因此，在制訂諧波治理方案時，工作人員應結合項目情況與已知信息，掌握各負載諧波電流有效值與諧波電流總有效值，以其為計算依據，準確計算有源電力濾波器的最佳容量。例如，在諧波電流總有效值為103A時，配置120A等級的有源濾波裝置即可。

4 結束語

綜上所述，為保障地鐵低壓配電系統的安全穩定運行，切實滿足現代地鐵軌道工程的用電質量可靠性要求，預防設備故障與電氣火災事故，工作人員必須了解諧波源分布情況，重點分析和研究諧波對低壓配電系統造成的具體影響，進而采取針對性的治理措施，保證諧波治理方案切實可行。