軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波的分析和治理

摘 要：通過(guò)對(duì)當(dāng)前軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波產(chǎn)生的原因危害以及相應(yīng)措施進(jìn)行分析，揭示了在不同情況下供電系統(tǒng)的諧波的產(chǎn)生和解決措施，表明降低諧波對(duì)當(dāng)前社會(huì)供電系統(tǒng)發(fā)展的必須性，同時(shí)這也是提高我國(guó)軌道交通供電系統(tǒng)安全的必然保障。

關(guān)鍵詞：軌道供電系統(tǒng)；電力諧波；諧波分析；措施

1 軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波分析

軌道交通成為伴隨現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通工具，具有運(yùn)量大、舒適安全、速度快和綠色環(huán)保等迎合可持續(xù)發(fā)展要求的優(yōu)點(diǎn)，有效的緩解了現(xiàn)代化城市交通擁擠狀況，改善了居民出行條件。目前城市交通供電系統(tǒng)網(wǎng)對(duì)軌道交通系統(tǒng)采用了分散供電方式、集中供電方式和混合供電方式三種，但由于我國(guó)的供電系統(tǒng)起步晚、供電方式不完善，隨之也出現(xiàn)了許多問(wèn)題。軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用整流設(shè)備向電動(dòng)車(chē)組提供其所需直流電源，形成了主要的諧波源，但是當(dāng)諧波含量超過(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì)對(duì)電力供電系統(tǒng)、城市軌道交通的照明系統(tǒng)等一系供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

2 電力諧波的發(fā)生原因及危害

由于牽引整流裝置、整流逆變裝置和照明裝置的廣泛使用，導(dǎo)致軌道交通供電系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波。另外，在軌道交通供電系統(tǒng)中，也有很大部分的非線性負(fù)荷投入使用，不僅吸收大量基波，還把一部分功率轉(zhuǎn)化為諧波功率注入系統(tǒng)，從而成為系統(tǒng)的諧波源，成為產(chǎn)生諧波的最根本原因。

2.1 整流裝置的脈動(dòng)數(shù)有限

在軌道交通供電系統(tǒng)中，牽引變電所里面的整流裝置在工作過(guò)程中產(chǎn)生的諧波是供電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的主要原因。整流裝置的換相不能瞬間完成以及脈動(dòng)數(shù)帶來(lái)的局限性，諧波的產(chǎn)生可能有連續(xù)不斷的幅值頻譜，不能準(zhǔn)確的把握由于整流裝置脈動(dòng)數(shù)的不足等都能引起軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波的產(chǎn)生，從而影響供電系統(tǒng)的輸出質(zhì)量和交通供電安全。

2.2 干擾通信系統(tǒng)以及其他設(shè)備

諧波通過(guò)電氣傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)等多種途徑對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低通話的清晰度，引起危害過(guò)電壓等。除通信系統(tǒng)外，諧波也會(huì)對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生影響，比如，降低斷路器的開(kāi)斷能力，增大斷弧的難度；延遲甚至阻礙消弧線圈的滅弧功能；電壓互感器也會(huì)因?yàn)橹C振而受到不同程度的損害。具體來(lái)說(shuō)，電視機(jī)的畫(huà)面會(huì)變差、變壞，收音機(jī)引起雜音，微機(jī)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、誤顯示和誤動(dòng)等問(wèn)題，給日常生活造成不便。

2.3 引起電力計(jì)量誤差

當(dāng)用戶是線性用戶時(shí)，系統(tǒng)成為諧波潮流注入用戶的途徑，用戶吸收的基波電能和部分甚至全部諧波電能就可以用電能表計(jì)量出來(lái)，當(dāng)計(jì)量值高于基波電能時(shí)，用戶不僅要多交電費(fèi)，還要受到諧波的破壞。反之，當(dāng)用戶是非線性客戶時(shí)，用戶自身在消耗部分諧波的同時(shí)還要向電網(wǎng)輸送部分諧波，這時(shí)電能表除計(jì)量基波電能外還要扣除部分諧波電能和甚至全部和，此時(shí)的計(jì)量值小于基波電能，用戶不僅少交了電費(fèi)也避免了污染電網(wǎng)。

2.4 增加供電損耗

由于供電過(guò)程產(chǎn)生大量諧波，有可能造成供電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備產(chǎn)生不必要的機(jī)械振動(dòng)。諧波電流不僅在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，也增加了輸電線路上的電流有效值，使斷路器斷弧困難，引起附加輸電損耗。此外，現(xiàn)在超大輸出的電力系統(tǒng)中，由于大量諧波形成的諧波電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使設(shè)備絕緣加速老化，降低設(shè)備壽命，嚴(yán)重時(shí)還有可能造成供電系統(tǒng)的短路，影響供電質(zhì)量和供電安全性。

3 電力諧波的主要抑制措施

3.1 增加整流裝置的脈動(dòng)數(shù)

由于整流器是供電系統(tǒng)中主要諧波源之一，在供電系統(tǒng)中所產(chǎn)生的為高次諧波。因此在供電系統(tǒng)中，增加整流裝置的脈動(dòng)數(shù)是降低電力諧波產(chǎn)生的有效措施。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)增加時(shí)，整流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)也隨之增高，諧波電流與諧波次數(shù)成反比，因此諧波次數(shù)就變的相對(duì)較低，幅值增大的諧波就得到消除，從而諧波源就減少電流的產(chǎn)生。例如牽引變電用24脈整流裝置來(lái)替代12脈整流裝置，則可以發(fā)現(xiàn)整流設(shè)備中脈動(dòng)數(shù)越多，其元件裝置的導(dǎo)通角之間的間隙就越小，從而產(chǎn)生的諧波相對(duì)來(lái)說(shuō)就會(huì)越少，使電流波的形狀將更接近正弦波。因此，對(duì)于供電系統(tǒng)中帶有整流原件的設(shè)備，要盡可能的增加整流的相數(shù)和脈動(dòng)數(shù)，這樣不僅可以較好地減少由諧波源產(chǎn)生的諧波含量，還可以更好的消除低次特征諧波，達(dá)到降低諧波的目的。

3.2 諧波源位置安裝濾波器

由于整流裝置正常工作時(shí)具有正反電流流向之分，正向是由交流電流向直流電方向，反之逆向是由直流電流向交流電方向，但其中諧波成分較大，所以在諧波源位置安裝濾波器，進(jìn)而吸收諧波是當(dāng)前治理軌道交通供電系統(tǒng)中電力諧波的有效措施。濾波器是由R、C、L等元件組成，一般采用三相星型連接，通常連接在大型整流設(shè)備與電網(wǎng)連接的地方。為實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?，達(dá)到濾波作用，可以采用有源電力濾波器，其是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力裝置，可以對(duì)大小、頻率都有變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，采用4個(gè)三相PWM電壓型四象限變流器四重連接，以提高系統(tǒng)工作效率，用于補(bǔ)償20KVA三相整流器在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波和無(wú)功電流。安裝無(wú)功補(bǔ)償濾波裝置雖然起到濾波作用，但還是達(dá)不到電力諧波的治理標(biāo)準(zhǔn)，這就需要根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的各次諧波，并按照相位的方向進(jìn)行電力諧波的相互抵消，從而達(dá)到抑制諧波的作用。另外，也可以選擇有載調(diào)壓的變壓器，及時(shí)調(diào)整變壓器母線的電壓，既有利于保護(hù)變壓器不至于過(guò)激磁，也能有效減少諧波的產(chǎn)生。

3.3 電網(wǎng)中加強(qiáng)諧波回路

在軌道交通供電系統(tǒng)中，高次諧波也是影響供電系統(tǒng)質(zhì)量的主要原因之一。高次諧波主要由電力系統(tǒng)存在的非線性元件和過(guò)量負(fù)載產(chǎn)生，此外24脈波整流方式的運(yùn)用，還產(chǎn)生了非特征次諧波?？梢酝ㄟ^(guò)在電網(wǎng)中增加諧波回路，來(lái)消除高次諧波。在具有非線性用電設(shè)備的供電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功率補(bǔ)償，除了裝設(shè)電容器之外，還要在電容器前連接一個(gè)扼流線圈，構(gòu)成LC串聯(lián)諧振電路，并通過(guò)調(diào)整諧振電路，使諧振頻率低于電網(wǎng)中產(chǎn)生的最低諧波頻率。

3.4 提高電力計(jì)量準(zhǔn)確性

電能計(jì)量裝置必須滿足計(jì)量規(guī)程要求、精度高以及穩(wěn)定性好的多功能電能表。通過(guò)先進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用，加大計(jì)量檢測(cè)和計(jì)量管理的科技含量，促進(jìn)計(jì)量表的標(biāo)準(zhǔn)化；加強(qiáng)計(jì)量表的綜合分析性，合理設(shè)計(jì)計(jì)量結(jié)構(gòu)，提高計(jì)量準(zhǔn)確性；同時(shí)合理調(diào)整互感器誤差互補(bǔ)或者采用電壓補(bǔ)償器進(jìn)行補(bǔ)償，從而降低計(jì)量誤差，加強(qiáng)計(jì)量運(yùn)行管理。

3.5 改善供電環(huán)境，采用合理的供電方式

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)短路容量比諧波源的變壓器容量高20倍時(shí)產(chǎn)生的高次諧波才不會(huì)危害供電系統(tǒng)，而且此時(shí)產(chǎn)生的諧波電壓、電流也低于規(guī)定值。同時(shí)，當(dāng)由較大容量的供電點(diǎn)或是高一級(jí)電壓的電網(wǎng)向諧波源供電時(shí)，就可以相應(yīng)的減少諧波對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的影響，因此在規(guī)劃設(shè)計(jì)電網(wǎng)時(shí)必須加以考慮以上問(wèn)題。另外，確保負(fù)荷的三相平衡，就能減少三次諧波的產(chǎn)生。提供專門(mén)的線路給諧波源負(fù)荷供電也能減少負(fù)荷受諧波的影響，利于集中抑制并消除諧波。

3.6 提高設(shè)備抗諧波干擾能力，改善諧波保護(hù)性

為減少諧波的干擾，加速研制新型的抗諧波設(shè)施還是很有必要的。另外，針對(duì)諧波敏感設(shè)備可以運(yùn)用靈敏的保護(hù)裝置，確保諧波超標(biāo)時(shí)不至于損壞設(shè)備，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軌道交通供電系統(tǒng)電力諧波的分析，研究電力諧波的治理方案，特別是對(duì)電力諧波的監(jiān)控和有效處理，減少電力諧波的含量，有效的降低諧波的數(shù)值，使諧波抑制技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，從而使電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電安全得到保障。

參考文獻(xiàn)

[1]李忠播.電網(wǎng)高次諧波的危害、規(guī)律及抑制[J].電氣開(kāi)關(guān)，2009（2）.

[2]吳競(jìng)昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011（1）.

[3]許克明.電力系統(tǒng)高次諧波[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2012（7）.