高速鐵路牽引系統(tǒng)諧波及其對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響

溫林海

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司韶關(guān)供電局， 廣東 韶關(guān) 512000）

1 概述諧波

“諧波”是指實(shí)際電壓、電流變化規(guī)律與理想電壓、電流變化規(guī)律之前的差異。在1993年的時(shí)候我國頒發(fā)了GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電力系統(tǒng)諧波》。根據(jù)GB/T 14549-1993 的相關(guān)內(nèi)容可知，用戶向公共連接點(diǎn)注入的總畸變率、各次諧波電壓含有率以及諧波電流允許值都是有著嚴(yán)格規(guī)定的。然而，隨著國內(nèi)多條電氣化鐵路系統(tǒng)的建成及長期實(shí)踐運(yùn)營，電氣化鐵路動(dòng)車組列車行車過程中列車上的各種電子元件所產(chǎn)生的諧波逐漸引起關(guān)注，由于動(dòng)車組列車行駛情況復(fù)雜，無論是加速還是再生制動(dòng)都不可預(yù)見，列車運(yùn)行工況無法提前設(shè)定，其負(fù)荷情況有沖擊性、波動(dòng)性大的特點(diǎn)，以及目前大量使用的動(dòng)車組列車采用的是交- 直或者交- 直- 交方式的傳動(dòng)系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生功率因數(shù)及諧波含量的問題。

在2019年，某地區(qū)電力系統(tǒng)對(duì)其中一條220 kV電氣化鐵路牽引線以及另一條220 kV 非牽引線兩處進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試方法使用電能質(zhì)量分析儀對(duì)兩條線路的電流及電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行24 h 的取樣并分析，諧波數(shù)據(jù)是諧波電壓含有率及諧波電流值的95%統(tǒng)計(jì)值，在采樣的24 h 內(nèi)所有采樣數(shù)據(jù)中不大于95%的數(shù)據(jù)，表1、表2 分別是采樣點(diǎn)電壓諧波95%含有率及測(cè)試點(diǎn)諧波電流95%統(tǒng)計(jì)值。

由于高鐵牽引站變壓器采用的是單相接線，只從電力系統(tǒng)中取A、B 兩相，所以表1、表2 中牽引線的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)只有A、B 兩相。從表2 數(shù)據(jù)分析可得，220 kV 牽引線在對(duì)電氣化鐵路供電時(shí)的線路諧波電壓符合要求，但是牽引線上的3 次的諧波電流95%統(tǒng)計(jì)值已超過GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電力系統(tǒng)諧波》上對(duì)3 次諧波的要求，5 次、7 次諧波電流95%統(tǒng)計(jì)值也接近各自的諧波電流限值。而比較非電氣化鐵路供電線路的非牽引線諧波電流95%統(tǒng)計(jì)值可以發(fā)現(xiàn)非牽引線上測(cè)得的諧波分量相當(dāng)小，幾乎可忽略。由此可判斷動(dòng)車組列車在行駛過程中產(chǎn)生的諧波通過高鐵牽引站注入地區(qū)電網(wǎng)，并且部分次數(shù)的諧波分量已經(jīng)接近或超過要求，而隨著電氣化鐵路持續(xù)、迅猛發(fā)展，電氣化鐵路段以及動(dòng)車組的班次數(shù)量都在不斷增長，這勢(shì)必導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)對(duì)地區(qū)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)。

表2 牽引線及非牽引線諧波電流95%統(tǒng)計(jì)值

2 諧波對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響

在理想狀況下，供電系統(tǒng)電網(wǎng)輸出的電壓，其頻率保持恒定，幅值和規(guī)定是一致的。從供電系統(tǒng)電網(wǎng)的角度來看，諧波電流、電壓會(huì)造成污染，導(dǎo)致設(shè)備的用電環(huán)境變差，附近的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)外的設(shè)備也會(huì)受到影響。但隨著電氣化鐵路的迅猛發(fā)展，新鐵路段的建成以及更加密集的動(dòng)車組班次會(huì)使電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的諧波分量不斷增加，高鐵牽引站注入地區(qū)電網(wǎng)的諧波分量會(huì)對(duì)電網(wǎng)以及相關(guān)設(shè)備造成嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重危害到地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及設(shè)備的耐用性，甚至導(dǎo)致各種故障和事故[1]。

2.1 諧波引起的諧振和諧波電流放大

一般情況下，變電站中會(huì)以并聯(lián)的方式，為負(fù)載配備電容器、電抗器，從而起到補(bǔ)償無功功率的效果，實(shí)現(xiàn)更高的功率因數(shù)。要維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，一般需要在變電所部署并聯(lián)電容器。另外，要有效地剔除諧波成分，還需用到內(nèi)部集成了電容元件、電抗元件的濾波器。工頻時(shí)，電容元件的容抗遠(yuǎn)超過系統(tǒng)的感抗，因此不會(huì)出現(xiàn)諧振。但出現(xiàn)諧波時(shí)，系統(tǒng)感抗大幅提高，容抗卻下降，對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害，尤其是電容器和電抗器，兩者很有可能因此而燒毀。

2.2 諧波對(duì)電網(wǎng)的影響

如果電網(wǎng)中存在諧波電流成分，線路的有功功率損耗提高，電網(wǎng)線損因此而變大。通常情況下，諧波電流的比例低于基波電流，但是在高諧波頻率下，由于趨膚效應(yīng)存在，諧波電阻的增長比基波電阻更快，這就會(huì)導(dǎo)致線損的提高。

在電纜中，諧波除了會(huì)帶來多余的損耗外，也令電壓的波形形成尖峰，電纜絕緣性能降低，導(dǎo)致浸漬絕緣的局部放電，介質(zhì)損耗提高，溫度進(jìn)一步升高，電纜的耐用性降低。一般來說，電纜受到的諧波危害程度，和其額定電壓之間為正相關(guān)關(guān)系。電纜的分布電容會(huì)使得諧波電流有增大，其造成的負(fù)面影響隨之而擴(kuò)大。

在架空線路上，電壓峰值與電暈的形成息息相關(guān)，盡管電壓基波低于規(guī)定值，但因諧波的影響，電壓峰值或許會(huì)高于規(guī)定值，由此出現(xiàn)電暈，導(dǎo)致電暈損耗。

如果經(jīng)過斷路器的電流包含明顯的諧波成分，電流過零點(diǎn)位置的di/dt 或許會(huì)大幅超過正常情況，斷路器的開斷功能受到影響。在諧波成分較高的情況下，裝置內(nèi)部的磁吹線圈會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的異常，斷路器完全失效甚至損壞。

2.3 諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的危害

從旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器的角度來看，諧波最大的危害是大致額外的損耗，以及設(shè)備溫度的升高，另外還會(huì)導(dǎo)致機(jī)械溫聲和此油決由壓，如此一來，設(shè)備的耐用性將會(huì)嚴(yán)重降低，甚至直接損壞。

2.4 諧波對(duì)繼電保護(hù)和電力測(cè)量的影響

諧波的存在，導(dǎo)致保護(hù)繼電器性能出現(xiàn)異常，不能正常、準(zhǔn)確的動(dòng)作。各種繼電器的原理和設(shè)計(jì)性能存在差異，所以諧波造成的影響也并不相同。就現(xiàn)實(shí)而言，大部分的繼電器對(duì)諧波都“有一定的免疫能力”，然而有些晶體管型繼電器受到的危害非常大，必須引起足夠的重視。大部分電力測(cè)量?jī)x表在研發(fā)時(shí)，考慮的是工頻正弦波形，在存在諧波的情況下，測(cè)量精度將大幅降低。具體誤差的大小，主要由儀表的原理、結(jié)構(gòu)所決定。