電氣化鐵路對電網(wǎng)諧波影響及抑制措施分析

路亞賓 韓金雷

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，鐵路運(yùn)輸出行成為重要的交通工具。而電氣化鐵路對電網(wǎng)諧波影響危及電力用戶的用電安全。在生產(chǎn)生活中，必須對電網(wǎng)進(jìn)行諧波治理，消除或者減小諧波對電網(wǎng)的影響，保障電力設(shè)備的可靠運(yùn)行。如今隨著電力機(jī)車的廣泛應(yīng)用，電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波分量已經(jīng)對電網(wǎng)造成很大的影響。本文從電氣化鐵路的特點(diǎn)出發(fā)，對電力諧波的產(chǎn)生原因和抑制措施進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；電網(wǎng)諧波；影響及措施

引言

作為一種非線性負(fù)荷的電氣化鐵路牽引機(jī)車，會將大量的諧波電流注入到牽引供電系統(tǒng)和電網(wǎng)中，嚴(yán)重地影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低了電網(wǎng)供電的可靠性，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失并帶來一定的安全問題。針對電氣化鐵路給電網(wǎng)帶來的諧波污染問題，利用電力電氣軟件分析系統(tǒng)ETAP建立了區(qū)域電網(wǎng)仿真模型，對此進(jìn)行諧波仿真潮流計(jì)算，根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)，分析了電氣化鐵路對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的影響因素以及加裝濾波裝置后對諧波產(chǎn)生的抑制效果。

一、電氣化鐵路對電網(wǎng)諧波影響概述

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是移動、幅值變化大而又頻繁的特殊負(fù)荷，它是一個(gè)典型的日波動負(fù)荷，具有短時(shí)沖擊負(fù)荷、不平衡負(fù)荷特性，同時(shí)含有豐富的諧波，是一個(gè)諧波電流源。電氣化鐵路對電網(wǎng)的影響主要是負(fù)序和諧波電流兩項(xiàng)影響的綜合。對發(fā)電機(jī)的影響對鄰近牽引變電所而遠(yuǎn)離（指電氣距離）電源的異步電動機(jī)，其定子繞組為敏感部位。同時(shí)還將在電動機(jī)中產(chǎn)生一反向旋轉(zhuǎn)磁場，此反向磁場對電動機(jī)轉(zhuǎn)子起制動作用，影響其出力。在諧波和負(fù)序電流的共同影響下，國內(nèi)曾發(fā)生多起定子繞組過熱燒毀事故。對輸電線路的影響諧波使網(wǎng)損增大，在發(fā)生系統(tǒng)諧振或諧波放大的情況下，諧波網(wǎng)損可達(dá)到相當(dāng)大的程度。負(fù)序電流流過電網(wǎng)時(shí)，它并不作功，只是降低了電力線路的輸送能力。對繼電保護(hù)和自動裝置的影響電力機(jī)車的開停次數(shù)多。而且行進(jìn)中每當(dāng)通過無電區(qū)要先跳閘再合閘。從而頻繁引起變壓器涌流，產(chǎn)生較大的暫態(tài)諧波與負(fù)序，這是引起電網(wǎng)繼電保護(hù)和自動裝置負(fù)序啟動元件誤啟動的主要原因。諧波致使誤動的情況的多是裝于饋供諧波嚴(yán)重超規(guī)定的若干電氣化鐵道負(fù)荷的110kV供電系統(tǒng)中，尤其以下述3類情況誤動最頻繁，有的最大達(dá)每日百次以上。①饋供電氣化鐵路的110kV線路距離保護(hù)的相電流突變量或負(fù)序啟動元件頻繁啟動。在保護(hù)阻抗元件不動作條件下，可把距離保護(hù)閉鎖住。在保護(hù)閉鎖期間，若保護(hù)區(qū)域發(fā)生故障，則該保護(hù)裝置就會拒動，從而引起越級跳閘而擴(kuò)大事故。②線路距離保護(hù)的負(fù)序啟動振蕩閉鎖裝置頻繁開啟，會導(dǎo)致在系統(tǒng)振蕩或其他偶然因素的配合下（如TV失壓）構(gòu)成跳閘條件，引起整套保護(hù)誤動，主變或線路跳閘。至于線路、變壓器、母差保護(hù)與自動裝置在諧波影響下動作或拒動，則屬于不正確動作。對電能計(jì)量的影響對電氣化鐵路而言，基波功率為其有效功率，諧波功率為其向電網(wǎng)注入的有害功率——諧波網(wǎng)損。目前常用的電能計(jì)量表計(jì)為：感應(yīng)式電能表、電子式電能表。感應(yīng)式電能表的頻率范圍狹窄，所計(jì)量的電能值是基波電能與各次諧波電能的“部分”矢量之和。電子式電能表在1kHz以內(nèi)頻響特性較好，所計(jì)量的電能值是基波電能與各次諧波（1kHz以內(nèi)）電能的矢量之和。電網(wǎng)中常用的計(jì)量方式為：電能表準(zhǔn)確反映實(shí)際電能，即基波與諧波的綜合電能。

二、諧波的產(chǎn)生原因

（一）電子開關(guān)型

主要是各種可控硅整流設(shè)備和晶閘管雙向可控開關(guān)裝置。這種類型的設(shè)備廣泛存在于在電氣化鐵路、冶金企業(yè)和很多家用電器中。

（二）磁場飽和型

是各種線圈設(shè)備，如電力變壓器、電磁鐵、變壓器和電抗器等。在電力電子設(shè)備推廣之前，發(fā)電機(jī)和變壓器是電力系統(tǒng)中最主要的諧波發(fā)生源。

（三）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(jī)的焊接過程中，電弧的劇烈變動產(chǎn)生了大量非線性分量，并且由于電弧的不穩(wěn)定性和波動性，造成電網(wǎng)諧波的構(gòu)成非常復(fù)雜，并且隨負(fù)載大小和時(shí)間的變化而變化。

三、電氣化鐵路的諧波抑制措施

（一）主動抑制

從諧波發(fā)生設(shè)備本身入手，避免或者降低設(shè)備諧波分量的產(chǎn)生。具體措施有：研發(fā)新型整流設(shè)備，保證其諧波分量為零且運(yùn)行功率因數(shù)為1。這種整流設(shè)備被稱為單位功率因數(shù)整流器。即通過調(diào)整脈寬校正功率因數(shù)的整流電路，在開關(guān)電源等中小功率整流設(shè)備中已經(jīng)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(shè)備中已經(jīng)得到廣泛使用。

（二）被動抑制

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

（三）混合型電力濾波設(shè)備

混合型電力濾波設(shè)備結(jié)合了靜態(tài)無源濾波設(shè)備和有源濾波設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，對兩種設(shè)備進(jìn)行了合理的整合使用。即部分容量采用無源濾波補(bǔ)償?shù)姆绞剑硗庖揽坑性礊V波設(shè)備對欠補(bǔ)償容量進(jìn)行補(bǔ)充。一方面，部分容量采用靜態(tài)濾波無功補(bǔ)償，使設(shè)備整體投資對比有源濾波大大降低，同時(shí)剩余容量采用動態(tài)濾波，使補(bǔ)償設(shè)備應(yīng)變能力相對靜態(tài)濾波補(bǔ)償設(shè)備大大增加。

（四）有源電力濾波設(shè)備

有源電力濾波設(shè)備是通過處理器控制，對系統(tǒng)諧波和無功進(jìn)行實(shí)時(shí)適量補(bǔ)償?shù)男滦蜑V波補(bǔ)償設(shè)備，這種設(shè)備可以通過傳感器對實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的諧波分量和功率因數(shù)，通過高速處理器對信息進(jìn)行快速分析處理，控制設(shè)備的導(dǎo)通角度，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確濾波補(bǔ)償。

結(jié)語

由于電網(wǎng)諧波危害的嚴(yán)重性，諧波已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)性問題。隨著電氣化鐵路的大力推廣，電氣化鐵路經(jīng)成為諧波的重要發(fā)生源之一，而且有著與電網(wǎng)常規(guī)諧波分量不一樣的特性。要準(zhǔn)確了解電氣化鐵路諧波對電網(wǎng)的影響必須對電氣化鐵路諧波進(jìn)行深入的分析和研究。針對系統(tǒng)各部分諧波的特點(diǎn)，科學(xué)選擇諧波治理措施，消除諧波，降低諧波對系統(tǒng)的影響，避免諧波造成的事故的發(fā)生，保障鐵路系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

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