地鐵低壓系統(tǒng)諧波分析及應(yīng)用補償裝置的必要性

王兆力

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運營分公司，陜西 西安710016）

0 引言

綠色電網(wǎng)、節(jié)能降耗已成為現(xiàn)代化企業(yè)努力的目標(biāo)，與此同時，如何實現(xiàn)綠色電網(wǎng)和節(jié)能降耗是企業(yè)急需解決的問題。地鐵車站的主要負(fù)載為環(huán)控、照明等，這些負(fù)載是主要的諧波源，由于大多數(shù)用電設(shè)備為單相負(fù)載，就會造成配電系統(tǒng)中線電流過大，導(dǎo)致系統(tǒng)三相用電不平衡，同時加重中線電纜的負(fù)擔(dān)，造成電纜、變壓器過熱，絕緣壽命縮短，更嚴(yán)重情況下，可能造成火災(zāi)。本文將通過對西安地鐵五路口站的諧波進(jìn)行分析，對提高電能質(zhì)量及APF設(shè)置必要性提出看法。

1 諧波的危害

諧波的存在一方面是設(shè)備運行安全隱患；另一方面，諧波電流會增加電網(wǎng)損耗、污染電網(wǎng)，造成不必要的損失與電量浪費等。因此，提高有源濾波器的使用率對于節(jié)能減排及安全保證有一定的促進(jìn)作用。

2 諧波檢測方案

以西安地鐵一號線五路口降壓所為試點，進(jìn)行低壓系統(tǒng)諧波檢測，具體項目如表1所示。

表1 檢測項目

3 有源濾波器（APF）補償效果測試

3.1 JAA4－1通風(fēng)空調(diào)負(fù)載電流諧波測試

地鐵系統(tǒng)的所有通風(fēng)空調(diào)在每天17：30之后會開啟，變頻器負(fù)載啟動。JAA14－2負(fù)載測試時間設(shè)置在17：30之前，JAA4－1負(fù)載測試時間設(shè)置在17：30之后，結(jié)果如表2、表3所示。

表2 JAA4-1通風(fēng)空調(diào)負(fù)載電流有效值

表3 JAA4-1通風(fēng)空調(diào)負(fù)載電流總諧波畸變率

檢測結(jié)論：從測試數(shù)據(jù)看，通風(fēng)空調(diào)負(fù)載的3、5、7、11次諧波含量較高，其中以5次諧波最高。

3.2 JAA16－7自動電扶梯負(fù)載電流諧波測試

測試自動電扶梯負(fù)載時，該負(fù)載主要是變頻器帶電機負(fù)載，而且根據(jù)乘客數(shù)量負(fù)載大小會隨時變化，因而難以準(zhǔn)確測量負(fù)載諧波。故處理諧波數(shù)據(jù)時，取負(fù)載電流較大時的數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4、表5、表6所示。

表4 JAA16-7 自動電扶梯負(fù)載電流有效值

表5 JAA16-7 自動電扶梯負(fù)載功率因數(shù)

表6 JAA16-7 自動電扶梯負(fù)載電流總諧波畸變率

檢測結(jié)論：從測試數(shù)據(jù)看，自動電扶梯負(fù)載的5、7 次諧波含量較高，其中以5次諧波最高，功率因數(shù)較低。

3.3 不開啟APF和開啟APF時，系統(tǒng)電壓諧波測試

測試時，在不開啟APF 的情況下，測試系統(tǒng)的電壓諧波（表7）；然后開啟APF，再測試系統(tǒng)的電壓諧波（表8），觀察電壓諧波是否有改善。

表7 不開啟APF時系統(tǒng)電壓總諧波畸變率

表8 開啟APF時系統(tǒng)電壓總諧波畸變率

檢測結(jié)論：系統(tǒng)電壓諧波主要是3、5、7、9、11、13次諧波含量較高，其中以11、13次諧波最高。開啟APF 后，系統(tǒng)電壓諧波有所好轉(zhuǎn)。

3.4 不開啟APF和開啟APF時，系統(tǒng)電流諧波測試

測試時，在不開啟APF 的情況下，測試系統(tǒng)的電流諧波（表9）；然后開啟APF，同時測試系統(tǒng)的電流諧波（表10）和APF的電流諧波，觀察開啟APF后系統(tǒng)電流諧波是否有改善。

表9 不開啟APF時系統(tǒng)電流總諧波畸變率

表10 開啟APF時系統(tǒng)電流總諧波畸變率

4 測試結(jié)論

通過分析測試數(shù)據(jù)可知，沒開啟APF 時，各負(fù)載及系統(tǒng)電壓、電流諧波較高，電流諧波超出國標(biāo)要求。開啟APF 補償后，電壓、電流諧波都有所改善。從補償后的測試結(jié)果看，開啟APF補償后，電流諧波降到國標(biāo)要求值以下。地鐵400V 系統(tǒng)負(fù)載普遍有很大的諧波成分，有必要進(jìn)行補償。

5 APF補償能效分析

假定有功負(fù)載輸出恒定且功率因數(shù)保持不變（即負(fù)載基波電流恒定），則系統(tǒng)側(cè)視在電流IS變化如下：

設(shè)負(fù)載電流為IL，負(fù)載基波電流為ILF，系統(tǒng)側(cè)電流畸變率為THDIS，負(fù)載側(cè)電流畸變率為THDIL。

濾波器投入前IS－OFF＝IL，THDIS－OFF＝THDIL，則：

濾波器投入后IS＝IL，THDIS－ON＝10%THDIL，則：

系統(tǒng)側(cè)視在電流IS－ON＝（濾波器消耗基波電流IθF＋負(fù)載

考慮到濾波器實際功耗＜負(fù)載基波電流，濾波器投入前后系統(tǒng)視在電流的差值IS－ON－IS－OFF約為：

DIS＝負(fù)載基波電流ILF×

當(dāng)THDIL＝35%時，濾波器投入前后DIS減小5.5%。考慮到功率因數(shù)的上升，上述電流差值只是保守的計算。

結(jié)論：只要容量選擇合理、足夠，電力有源濾波器投運前后負(fù)載電流將減少5%以上，能耗利用率相對提升5%以上。

6 結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題引起了越來越廣泛的關(guān)注。本文介紹了諧波的概念，分析了地鐵400V 低壓系統(tǒng)的諧波特性及危害，并對比了APF 投入前后的諧波治理情況，對投入APF提高電網(wǎng)能效做了分析。APF對于城市軌道交通諧波治理起到了明顯的改善作用，提升了地鐵電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，在今后的地鐵電力系統(tǒng)中，有必要采用APF 設(shè)備進(jìn)行諧波補償。

［1］GB/T14549—1993 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.