地鐵低壓配電系統諧波分析及治理研究

王文彬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,陜西西安,710043)

地鐵低壓配電系統諧波分析及治理研究

王文彬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司電氣化處,陜西西安,710043)

本文對低壓配電系統諧波進行了相關的理論研究，對諧波治理方式、治理效果進行了現場測試和仿真計算研究，推薦出適用于地鐵低壓配電系統的治理方案，對今后地鐵低壓配電諧波治理具有重要參考價值。

地鐵；低壓配電系統；諧波；有源濾波裝置；無功補償

0 引言

地鐵作為現代城市交通系統的重要組成部分，其安全性、高效性越來越多的受到公眾的關注。地鐵車站內強電、弱電多個系統并存，高壓、低壓多種電壓等級并存，交流、直流多種供電制式并存。地鐵除了牽引負荷(直流電動車輛)外，為保證地鐵車站運營的功能性及舒適性，車站內還有很多動力照明設備，其中大量非線性設備的運行必然產生諧波。如何減少諧波對配電系統的污染，減少諧波造成的危害，為地鐵車站及其他用戶電氣設備的使用創造既安全又經濟的低壓配電系統環境成為一個亟待解決的問題。

本文對低壓配電系統諧波進行了相關的理論研究，對諧波治理方式、治理效果進行了現場測試和仿真計算研究，推薦出適用于地鐵低壓配電系統的治理方案，研究成果對于地鐵設計、運營具有一定的指導意義。

1 地鐵低壓配電系統諧波分析

典型地鐵車站低壓配電系統采用單母線分段接線，正常時母聯分段，兩臺變壓器并列運行，當一臺變壓器檢修或故障時，切除三級負荷，另一臺變壓器承擔全部一、二級負荷的供電從而保證地鐵車站的正常運營。地鐵低壓配電系統主要用電負荷包括照明、環控、給排水、通信、信號、屏蔽門、綜合監控、AFC、電扶梯等。

1.1 地鐵諧波源分布

地鐵車站低壓配電系統存在大量的非線性電氣設備，歸納起來有以下幾種：

1.1.1 熒光燈：

屬于氣體放電燈，電路中還有電弧，電弧的負阻特性（電弧電阻隨電流增大而減小）產生諧波電流。由于單相電源供電，主要產生2k±1次諧波。

1.1.2 直流屏、消防應急電源(EPS)等：

此類電源均存在整流過程，在其工作過程中或產生諧波電流，由此類電源基本上為3相交流輸入，所以主要產生6k±1次諧波。

1.1.3 通信、售票等弱電系統UPS電源：

地鐵弱電系統如通信、信號、綜合監控、自動售檢票系統AFC、乘客信息系統PIS等，需要高可靠性的后備電源（UPS）進行不間斷供電，以保證供電質量和供電連續性。

1.1.4 變頻器和軟啟動器：

部分風機、自動扶梯通過配置變頻器或軟啟動器以改善啟動沖擊和運行節能，但必然隨之產生6k±1次諧波。

1.1.5 檢修電源：

區間隧道及車站風機房內的檢修作業，難免產生電弧。電弧的負阻特性會產生諧波電流，由于時間較短，對于電網影響很小。

1.2 諧波對地鐵系統的影響

諧波對于地鐵系統的影響可以從輸變電設備和通訊系統兩方面進行闡述：

1.2.1 諧波對輸變電設備的影響：

諧波會減少輸電線路、電力變壓器及無功補償電容器的壽命，甚至會導致事故發生；諧波還可能引起繼電保護裝置的誤動或拒動。

a對輸電線路的影響：

諧波電流會產生較高頻率的電場，這種情況下絕緣的局部放電加劇，介質損耗顯著增加，致使溫升增加，影響絕緣壽命。

b對變壓器的影響：

對于普通變壓器，其主要3次及其倍數次零序諧波需考慮解決，以防諧波形成換流導致繞組過熱；對于供給不對稱負荷的變壓器，如果負荷電流中含有直流分量，則它將使變壓器磁路的飽和度提高，從而使交流勵磁電流的諧波分量大大增加。

c對無功補償電容器的影響：

在電容器的作用下，諧波電流可以被放大2～5倍，而在諧振時可達30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會大大增加電容器的損耗和過熱，這往往導致電容器的損壞。

1.2.2 諧波對通訊系統的影響：

諧波干擾會引起通信系統的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴重時會引起信號的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起電話鈴響，甚至還發生過危及設備和人身安全的事故。

2 地鐵諧波治理解決方案分析

地鐵諧波治理的方式主要分為諧波集中補償和就地補償兩種：集中補償即在在用戶用電系統與電網連接點處加裝諧波補償設備，優點在于，大量的諧波源產生諧波電流到達變壓器母線后會有相互疊加減小，治理成本低，保護上級電網，但對下級電網無益；就地補償方式，就是將濾波器安裝在諧波源的交流進線處，通過濾波器就近補償諧波，達到徹底消除諧波危害的目的，補償效果佳，但補償成本較高。

地鐵車站低壓配電系統的諧波治理，區別于一般的治理方式，其諧波治理的側重點應放在三個方面：

2.1 消除諧波污染對關鍵的測控、通訊、指揮系統的影響；

2.2 消除諧波引發中線過載而導致電氣火災發生的可能；

圖1 就地補償方式

2.3 降低地鐵配電系統對上級電網（包括自用變壓器）的污染。

由于測控、通訊、指揮系統等關鍵負載安全性要求高，如在變壓器下做集中補償，雖能避免對上級電網的諧波污染、消除降低電氣火災的發生幾率，但無法消除諧波源對這些重要負載的威脅，因此，在地鐵站房低壓配電系統中應盡量選用就地補償模式（如圖1）對諧波源所產生的污染進行就地補償，將諧波危害消除在源頭。

但就地補償方式成本較高，且設計是選型復雜、安裝時施工量加大。為合理的設計濾波裝置的數量及節約設計預算，在地鐵站房配電系統中，建議將負載分類與集中補償方式相結合進行設計。

如圖2所示，首先，在系統設計時我們需要考慮盡量將所有諧波源負荷與需受到保護的控制系統、通訊系統、指揮系統負載進行分類集中。把主要的諧波源負載集中設計在低壓母排的末端，將需保護的負荷設計在靠近變壓器側。將濾波器加裝在諧波源負荷與被保護負荷之間，集中消除諧波的危害。

圖2 集中治理方式

經過這樣的處理方式后，諧波只存在諧波源負荷之間，經濾波器集中治理后，徹底消除了諧波對關鍵負載及上級電網的影響，成本也相較就地補償方式大大降低。

3 PSCAD仿真與驗證

針對前述分析，使用電磁暫態仿真軟件PSCAD對現場工況和濾波效果進行了模擬仿真。系統主要參數為：電網進線為110kV，短路容量2000MVA，變壓器為110kV/35kV及35kV/0.4kV，空調負荷總容量為200-300kW； UPS總容量為100-120kW；照明總容量為100kW；電梯總容量為15-30kW。

仿真時間為2s，有源電力濾波器于1s投入運行，無功補償柜于1.5s投入運行。

由以上可以明顯看出，有源電力濾波器和無功補償投入運行后，電網電壓電流波形得到了極大的改善，畸變率降至3%左右，滿足國標要求。濾波器投入前后，基波電流基本保持不變，諧波電流有顯著增大。

本文對濾波器置于無功補償之前也進行了仿真分析，結果表明濾波器置于無功補償之前，濾波器運行后電網側電流中還有5、13、19次諧波，而濾波器置于之后時網側電流中僅含5次諧波電流，所以有源電力濾波器安裝在電容補償柜之后濾波效果最佳。

4 地鐵諧波治理案例

某地鐵公司出于運行安全性考慮，決定在某車站環控室使用有源電力濾波器進行濾波。

現場主要諧波負載為三臺變頻器，有源電力濾波器安裝于變壓器下集中補償。測試位置為低壓母排互感器二次側，電流數據變比30:5，需對實測數據進行調整。歸算至實際值的諧波電流、電壓、畸變率數據分別如下表：

表1 歸至實際值的諧波電流值

表2 歸至實際值的電壓、畸變率值

測試數據顯示了地鐵環控電控室諧波狀況，諧波電流畸變率一般在30%左右。從上述數據對比可以得出，通過諧波治理，畸變嚴重的非正弦波變為標準的正弦波；電壓畸變率從3%降低到1.4%；電流畸變率從34.4%降低到6.1%；諧波電流吸收率達到92.9%，有源電力濾波器在地鐵低壓配電系統中使用，尤其是對于消除諧波方面的作用是非常明顯的。

5 結論

通過一系列的仿真計算及現場試驗數據，得到結論如下：

5.1 對于地鐵站低壓系統的電能質量問題，可以通過在變壓器下安裝有源電力濾波器和無功補償柜的方式解決；

5.2 安裝有源電力濾波器后，對于電網側電流電壓波形的改善作用十分明顯，其中有源電力濾波器安裝在電容補償柜之后濾波效果最佳；

5.3 安裝有源電力濾波器后，對于降低負載之間的諧波干擾起到了十分重要的作用；

從理論上說，牽引動力產生的諧波對于低壓配電系統沒有影響，如果現場確實存在問題，可以現場測試后進行處理。

[1] 丘小梅 關于地鐵車站低壓配電系統的諧波防治[J]．電氣應用，2005(11)

[2] 段永強.地鐵供電系統諧波的分析及治理[J].城市軌道交通研究，2012(6)．

[3] 王均山．有源濾波技術在地鐵供電系統中的應用[J]．鐵道工程學報，2009(9)．

The Harmonic Analysis and Restraint for Low-voltage Distribution System of Subway

Wang Wenbin
(Electrical Engineering Dept. of China Railway First Survey & Design Institute Group Co.LTD,710043)

In this paper,relevant theoretical research was conducted on the harmonic distortion of low voltage power supply system.Field test and simulation were taken to harmonic suppression methods and their effects.Finally,suitable harmonic suppression method for subway was recommended,which has important and referenced value to the harmonic restraint of low-voltage distribution system in the future.

subway；Low voltage power supply system;harmonic;Active Power Filter;Reactive power compensation