電氣化鐵路諧波分析及抑制措施

郭峰

【摘要】 電網諧波影響電力設備的正常運行，危及電力用戶的用電安全。在生產生活中，必須對電網進行諧波治理，消除或者減小諧波對電網的影響，保障電力設備的可靠運行。如今隨著電力機車的廣泛應用，電力機車產生的諧波分量已經對電網造成很大的影響。本文從電氣化鐵路的特點出發，對電力諧波的產生原因和抑制措施進行了分析。

【關鍵詞】 電氣化鐵路 諧波分析 諧波治理

一、概述

鐵路運輸是國家社會和經濟發展的命脈，是國民經濟發展的關鍵因素。電氣化鐵路具有機組牽引力大、運行速度快、能耗低、污染小、工作環境好等特點，是我國鐵路設備發展的重要方向。電氣化鐵路動力電力網的正常和可靠運行是電力機車安全運行的基本保障。

隨著電氣化鐵路的廣泛應用，電力系統的高次諧波分量大量增加，使電力網絡的用電質量大大降低。電氣化鐵路的用電負荷是非線性的，且隨著運輸強度的變化而波動。因此電氣化鐵路的諧波分量具有波動性和隨時間變化而變化的特點。[1]電力機車采用單相供電，在沒有補償設備的情況下，會向電力系統回饋負序分量；并且由于電力機車采用整流電路進行直流驅動，同時由于負荷的波動，往往導致電網功率因數低、諧波分量大等問題，對機車動力供電網絡及其上級電網的電能質量造成嚴重影響，對電力系統的可靠運行造成威脅。電氣化鐵路中嚴重的諧波干擾已經在電網運行過程中造成過較為嚴重的事故，所以我們必須使電氣化鐵路的諧波問題得到及時解決。[2]

諧波分量、負序分量、電壓波動范圍、三相不平衡系數和閃變影響著電氣化鐵路的電能質量。其中諧波問題已經成為對電網影響最大，同時也是最為棘手的問題。

二、諧波的產生原因

諧波是基波電量的整數倍分量，通常稱為高次諧波。電網中的諧波往往由多個頻率的高次諧波分量組成。

電力網絡的諧波來源主要包括三個方面：一是發電機等電力電源本身產生的諧波；二是電力變壓器等輸配電設備產生的諧波；三是直流電機或者其他用電設備產生的諧波。電力系統中的諧波源，往往具有非線性的特點。這些設備的非線性可以分成三類：

1.磁場飽和型：主要是各種線圈設備，如電力變壓器、電磁鐵、變壓器和電抗器等。在電力電子設備推廣之前，發電機和變壓器是電力系統中最主要的諧波發生源。

2.電子開關型：主要是各種可控硅整流設備和晶閘管雙向可控開關裝置。這種類型的設備廣泛存在于在電氣化鐵路、冶金企業和很多家用電器中。[3]

3.電弧爐：在中頻爐和低頻爐煉鋼的電爐熔煉初期和交流電焊機的焊接過程中，電弧的劇烈變動產生了大量非線性分量，并且由于電弧的不穩定性和波動性，造成電網諧波的構成非常復雜，并且隨負載大小和時間的變化而變化。

三、電氣化鐵路諧波的理論分析和諧波危害

由于電氣化鐵路負荷的非線性和波動性，其諧波分量與其他用電設備諧波分量相比有其獨有的特點。電氣化鐵路負荷的諧波特點主要有：電氣化鐵路負荷諧波與常規負荷諧波相比，其諧波的初始相位角分布范圍廣，在復平面坐標的任意區域內都可能存在；電氣化鐵路負荷諧波幅值波動異常劇烈，在負載呈周期性變化時，具有周期性的特點；諧波從低壓電網直接引入電網。

電氣化鐵路的諧波往往是由晶閘管整流設備以及非線性運行的用電設備產生的，整流電力機車是電氣化鐵路電網最主要的諧波發生源，多段相控橋式整流電力機車電路圖如下所示：

電氣化鐵路的諧波分量對電力系統的危害主要有以下幾個方面。

1.并聯諧振；當諧波分量進入電網以后，由于電網本身的阻容特性，可能會引起某次諧波在線路中的諧振，導致諧波分量被放大，造成電力設備的故障甚至損壞。

2.對電力變壓器的危害。諧波分量流經變壓器，會引起額外的鐵損和銅損，導致變壓器溫升加大，容量降低，從而影響變壓器的工作效率。在造成附加損耗增加的同時，諧波分量還會造成變壓器機械振動加大、噪聲增加和電壓過高，導致變壓器局部溫度過高。諧波還會使電容器和電力電纜等電力設備過載過熱，使絕緣加速老化、降低使用壽命甚至直接造成設備的損壞。

3.對控制系統造成干擾。控制系統往往通過軌道電路依靠機車和路面傳感器采集信號，對系統進行控制。由于軌道同時也是機車的電源供電回路，因此機車本身的諧波和變壓器諧波都可能對控制信號和采集信號造成干擾，導致設備誤動作，危及系統運行的可靠性和安全性。

4.對電力系統運行設備的危害。諧波造成電力線路、發電機、變壓器、電動機等電力設備的損耗增加、溫升加大，使其使用壽命降低，甚至直接損壞。[5]

四、電氣化鐵路的諧波抑制措施

電氣化鐵路電力系統諧波抑制主要有如下四個方面：

4.1受端抑制

即從電力系統的用電設備本身入手，提高用電設備的諧波抑制能力。

4.2主動抑制

從諧波發生設備本身入手，避免或者降低設備諧波分量的產生。具體措施有：研發新型整流設備，保證其諧波分量為零且運行功率因數為1。這種整流設備被稱為單位功率因數整流器。即通過調整脈寬校正功率因數的整流電路，在開關電源等中小功率整流設備中已經得到推廣；另外，多脈沖整流電路在電解電源等大功率整流設備中已經得到廣泛使用。

4.3被動抑制

在電力系統中加裝濾波設備，防止諧波分量進入電網，或者阻止諧波分量進入用電設備。即通過加裝無源電力濾波設備、有源電力濾波設備或者混合型電力濾波設備進行諧波治理。依靠濾波設備對諧波分量進行抑制吸收，降低或者消除諧波污染。

4.3.1靜態無源電力濾波設備

靜態無源濾波設備一般在交流側安裝，根據諧波容量由電抗、電容和電阻構成諧波抑制回路，使諧波在回路發生串聯諧振，阻止該次諧波進入電網。靜態無源濾波設備的投資小、設備簡單且維護方便，主要應用于諧波和無功功率變化規律的場所。由于設備阻抗固定，難以適應系統參數變化，有可能造成諧波分量的放大，對設備的運行造成不利影響。

4.3.2有源電力濾波設備

有源電力濾波設備是通過處理器控制，對系統諧波和無功進行實時適量補償的新型濾波補償設備，這種設備可以通過傳感器對實時檢測系統的諧波分量和功率因數，通過高速處理器對信息進行快速分析處理，控制設備的導通角度，從而實現對系統進行實時、精確濾波補償。有緣濾波設備的響應快，適應范圍廣，濾波補償精度高，但其投資大，由于長期導通電過補償，造成其能耗較大，同時其設備構成也比較復雜，使維護難度加大。但是由于其對電力諧波治理和無功補償的顯著效果，其終將成為電力系統諧波治理和無功補償的主要發展方向。

4.3.3混合型電力濾波設備

混合型電力濾波設備結合了靜態無源濾波設備和有源濾波設備的優點，根據系統實際運行情況，對兩種設備進行了合理的整合使用。即部分容量采用無源濾波補償的方式，另外依靠有源濾波設備對欠補償容量進行補充。一方面，部分容量采用靜態濾波無功補償，使設備整體投資對比有源濾波大大降低，同時剩余容量采用動態濾波，使補償設備應變能力相對靜態濾波補償設備大大增加。從而使兩種濾波方式的優點得到集中。由于其高超的性價比，此種方式越來越受到人們的關注。

4.4優化供電環境

保證供電系統三相電壓盡可能平衡同時選擇最適宜的系統電壓，可以使諧波對電網的危害有效的降低。增加供電電源容量，可以使諧波分量對電網的影響大大減小。對諧波發生源采用專線供電，使其與其他用電設備分離，避免其對其他設備的干擾，同時也有利于諧波的集中治理。

五、結論

由于電網諧波危害的嚴重性，諧波已經成為人們關注的焦點性問題。隨著電氣化鐵路的大力推廣，電氣化鐵路經成為諧波的重要發生源之一，而且有著與電網常規諧波分量不一樣的特性。

要準確了解電氣化鐵路諧波對電網的影響必須對電氣化鐵路諧波進行深入的分析和研究。針對系統各部分諧波的特點，科學選擇諧波治理措施，消除諧波，降低諧波對系統的影響，避免諧波造成的事故的發生，保障鐵路系統的可靠運行。

參 考 文 獻

[1] 張力強，羅文杰，呂利軍.電氣化鐵路牽引負荷的不利影響及治理方案[J].電網技術，2006，30（增）：196-198

[2] 李群湛.我國高速鐵路牽引供電發展的若干關鍵技術問題[J].鐵道學報.2010，32（4）：119-124

[3] 杜習周，陳棟新，余曉鵬等.電氣化鐵路負荷對電網電能質量的影響[J].華中電力.2010，23（6）：35-41

[4] 于坤山，周勝軍，王同勛等.電氣化鐵路供電與電能質量[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5] 譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統（第二版）[M].西南交通大學出版社，2007.