地鐵低壓配電系統諧波分析及治理研究

李文強

摘要：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。

關鍵詞：地鐵；低壓配電系統；諧波分析；治理

1地鐵低壓配電系統中的諧波源

諧波產生于發輸電、供變電和用電各個環節，但產生諧波最多的是用電環節。電力諧波產生源主要是系統網絡中的非線性元件如整流裝置、飽和狀態的鐵磁性元件。

地鐵低壓配電系統用電設備中的諧波源主要有以下幾種：

1.1非線性電光源

熒光燈因具有光效高、顯色性好、配用電子鎮流器后也可調光（調頻調幅）等優點被大量使用于建筑內外的各種場所，但均含有奇次諧波。各種熒光燈的諧波電流含有率相差較大：普通繞線式電感鎮流器含有率12%-13%的3次諧波；電子鎮流器采用功率晶體管的高頻開關替代電感，其工作頻率一般高達20-60kHz，除含有約10%-20%的3次諧波以外，還含有約3%～10%的高次諧波，普通電子鎮流器主要設置了逐流型的濾波電路，其諧波總量在20%以上，低諧波型電子鎮流器加強了諧波的過濾，其諧波總量可以控制在10%-15%；另外，為提高功率因數，熒光燈一般均裝有并聯電容器，但電容器起明顯放大諧波的作用。

1.2計算機類弱電負荷

大多數計算機類設備都使用了開關電源（SMPS）。它將傳統的變壓器和整流器替換成由電源直接經可控制的整流器件去給存貯電容器充電，然后通過高頻PWM（脈沖寬度調制）信號控制開關管輸出所需的多個直流電流，通過控制PWM占空比達到穩定輸出的目的。它們不能從電源汲取連續的正弦電流，而只能汲取脈沖電流，從而產生大量的三次及高次諧波的分量。初期的SMPS產品比傳統整流裝置的諧波含量還要高（尤其是高次），但隨著SMPS的模塊化和自身諧波隔離技術的發展，其諧波含量可望進一步減少。

1.3變頻器和軟啟動器

變頻器和軟啟動器已越來越多地被運用到地鐵系統中的水泵電梯通風及空調系統中，變頻一般分為兩類：交一直一變頻器和交一交變頻器。二者均采用相位控制技術，所以在變換后會產生含復雜成分的諧波。

1.4UPS、EPS電源

UPS不間斷電源、EPS應急電源所產生的諧波主要是由其內部的整流裝置產生的，因其諧波含量與整流裝置相似。地鐵配電系統中的設備產生的大量的諧波電流，嚴重地污染了電網質量，諧波對用電設備也會產生較大危害及用電隱患。特別是無功補償的投入使諧波進行放大，導致電容器燒毀、損壞等。

2諧波污染對地鐵各個系統的危害

2.1諧波污染對電網的影響

諧波污染對電網的影響有很多，使電網不能發揮其安全性、穩定性、可靠性的特點，例如造成電網的功率損耗增加、使正常的供電中斷、事故擴大、電網解裂、遙控功能失常、設備壽命縮短、接地保護功能失常、電網發生諧振、線路和設備過熱等。

2.2諧波對電容器的影響

諧波使電網中的電容器感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，產生諧振，放大諧波電流，最終導致電容器等設備被燒毀。

2.3諧波對電纜的影響

諧波污染對電纜的影響主要有：會使電纜的泄漏電流上升，介質損耗、輸電損耗增大，溫升增大。特別是對于干式電纜，會大大增加局部放電，產生附加損耗，造成單相接地故障。

2.4諧波對電力變壓器的影響

諧波電流引起的附加損耗，增加了變壓器的銅損，引起局部振動、過熱、噪聲增大、繞組附加發熱，使變壓器的磁滯及渦流損耗增加。

3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；

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。

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。

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。

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。

結語

在地鐵交通項目建設過程中，首先在設計時要根據配置情況，正確統計整個項目的諧波源，然后根據這些情況，科學認證諧波的產生情況，從而采取相關的措施，減少和避免諧波對軌道交通各個系統的危害，以保證地鐵運行安全、節能。