地鐵供電系統(tǒng)的諧波與無(wú)功綜合治理

摘 要：地鐵直流供電系統(tǒng)大量投入使用整流機(jī)組、變頻設(shè)備、電纜線路以及配備的非線性電力電子裝置，使得地鐵供電系統(tǒng)諧波含量豐富、容性電流大、無(wú)功倒送、等一系列諧波和無(wú)功問題。采取諧波和無(wú)功綜合治理的措施可以保證地鐵供電質(zhì)量，確保地鐵的安全運(yùn)行。綜合治理遵循抑制諧波為主，無(wú)功補(bǔ)償為輔的原則。

關(guān)鍵詞：地鐵供電；諧波；無(wú)功；治理

一、地鐵的供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)的作用是向地鐵列車和用電設(shè)備提供電能，是地鐵的重要組成部分和動(dòng)力來源。地鐵的供電系統(tǒng)可以分為外部供電系統(tǒng)和內(nèi)部供電系統(tǒng)。外部供電系統(tǒng)即地鐵的一次高壓電源系統(tǒng)，通過主變電所連接城市電網(wǎng)，可采用集中式、分散式和混合式三種方式供電。[1]地鐵的內(nèi)部供電系統(tǒng)則包含牽引供電系統(tǒng)和動(dòng)力照明系統(tǒng)。其中，牽引供電系統(tǒng)是地鐵供電系統(tǒng)的核心，由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成，用于牽引地鐵機(jī)車；動(dòng)力照明系統(tǒng)負(fù)責(zé)給區(qū)間、車站內(nèi)的各類照明設(shè)施和動(dòng)力設(shè)備、通信設(shè)備及自動(dòng)化設(shè)備提供電能。地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)城市地鐵大多采用110/35kV的兩級(jí)電壓集中供電方式。這種供電方式主要由外部電源、主變電所、中壓環(huán)網(wǎng)、牽引變電所和降壓變電所構(gòu)成。每個(gè)主變電所從城市電網(wǎng)引入2路110kV電源互為備用，降壓至地鐵所需的35kV中壓系統(tǒng)，然后通過中壓環(huán)網(wǎng)向牽引變電所和降壓變電所供電。中壓環(huán)網(wǎng)采用分區(qū)供電，幾個(gè)相鄰的牽引變電所通過串接的方式構(gòu)成一個(gè)供電分區(qū)。主變電所向每個(gè)供電分區(qū)的一個(gè)變電所供電，分區(qū)的其他變電所則通過串接的方式獲得電源。各個(gè)牽引變電所之間通過交流電纜連接，這樣就構(gòu)成了地鐵的集中供電系統(tǒng)，如圖2所示。

二、地鐵供電系統(tǒng)的諧波

地鐵供電系統(tǒng)的諧波主要來源于兩方面：一是牽引變電所內(nèi)的整流機(jī)組，二是含有變頻設(shè)備的動(dòng)力照明負(fù)荷。

牽引變電所是地鐵供電系統(tǒng)的核心部分。在牽引變電所內(nèi)，35kV的三相高壓交流電經(jīng)降壓、整流之后輸出1500V或750V的低壓直流電，向牽引機(jī)車供電。整流機(jī)組是牽引變電所的關(guān)鍵設(shè)備，一般采用多脈沖整流電路來實(shí)現(xiàn)。目前，三相橋式整流電路構(gòu)成的12脈波整流電路和等效24脈波整流電路被廣泛使用。在運(yùn)行過程中，整流機(jī)組會(huì)產(chǎn)生11、13、23、25次諧波。整流機(jī)組是地鐵供電系統(tǒng)最主要的諧波源。

地鐵的動(dòng)力照明負(fù)荷主要包括照明熒光燈、空調(diào)、自動(dòng)扶梯、風(fēng)機(jī)、水泵、消防設(shè)備等，這些設(shè)備大多屬于非線性設(shè)備，必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響。動(dòng)力照明負(fù)荷主要產(chǎn)生5、7次諧波。[2]

高次諧波電流通過變壓器時(shí)，變壓器鐵芯損耗明顯增大出現(xiàn)過熱，導(dǎo)致變壓器的效率降低，壽命縮短；諧波電壓加至電容器兩端時(shí)，由于電容對(duì)高次諧波呈現(xiàn)零阻抗，使得電容器過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞；諧波在供電系統(tǒng)內(nèi)流竄、疊加甚至放大的過程中，會(huì)使得電纜的情況下內(nèi)耗、發(fā)熱大幅增加而嚴(yán)重縮短其使用年限；高次諧波的干擾還會(huì)導(dǎo)致空氣開關(guān)的誤動(dòng)作，引起大面積停電，影響地鐵設(shè)備的正常工作和運(yùn)營(yíng)。諧波污染不僅會(huì)對(duì)地鐵造成一定的影響，還會(huì)影響其他企業(yè)和居民的用電質(zhì)量。

三、地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功功率

地鐵供電系統(tǒng)的無(wú)功功率主要來源于機(jī)車牽引負(fù)荷、變壓器、電纜線路和動(dòng)力照明負(fù)荷。由于機(jī)車采用直流供電，牽引負(fù)荷的功率因數(shù)較高，一般能達(dá)到0.95以上；動(dòng)力負(fù)荷的功率因數(shù)最低，一般為0.75左右；照明負(fù)荷的功率因數(shù)0.8左右。因?yàn)閯?dòng)力照明負(fù)荷的負(fù)載持續(xù)率各不相同，比較難以控制和補(bǔ)償。

機(jī)車牽引供電系統(tǒng)中的電機(jī)、變壓器和較長(zhǎng)供電線路在運(yùn)行中需要消耗無(wú)功功率，產(chǎn)生大量的感性無(wú)功損耗。由于地鐵系統(tǒng)的特殊性，大量使用的高低壓電纜則會(huì)向電網(wǎng)提供容性無(wú)功功率。

由于地鐵運(yùn)行的特點(diǎn)，白天的用電負(fù)荷比夜間停運(yùn)的用電負(fù)荷大得多。白天牽引機(jī)車和一些輔助用電設(shè)備（如照明、風(fēng)機(jī)、水泵等）會(huì)消耗一部分電纜的無(wú)功功率，在沒有無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下總體功率因數(shù)較高。夜間地鐵停運(yùn)，風(fēng)機(jī)照明等設(shè)備停止工作，只有變壓器消耗少量無(wú)功，感性負(fù)荷輸出減少，電纜的充電無(wú)功效應(yīng)明顯，會(huì)出現(xiàn)無(wú)功倒送現(xiàn)象，導(dǎo)致夜間功率因數(shù)大大下降，只有0.4左右。這不僅造成大量電能的浪費(fèi)，而且容性無(wú)功功率還會(huì)使得供電端電壓升高，對(duì)電纜和供電設(shè)備產(chǎn)生危害。

四、地鐵供電系統(tǒng)諧波和無(wú)功的綜合治理

鑒于地鐵供電系統(tǒng)的諧波更具危害性，綜合治理應(yīng)遵循以抑制諧波為主，無(wú)功補(bǔ)償為輔的原則。

目前我國(guó)地鐵供電系統(tǒng)的諧波無(wú)功治理主要采用在車站降壓變電所0.4kV側(cè)設(shè)置固定式無(wú)功補(bǔ)償裝置，即無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器通過對(duì)電感、電阻和電容的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成LC濾波電路，可以濾除系統(tǒng)中特定的高次諧波，同時(shí)它在與無(wú)功負(fù)載并聯(lián)使用的過程中還起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩3]

對(duì)于地鐵供電系統(tǒng)，白天和夜晚的用電負(fù)荷差別較大。系統(tǒng)的無(wú)功功率變化時(shí)，無(wú)源濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且一種參數(shù)只能補(bǔ)償特定次數(shù)的諧波，當(dāng)電力系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化時(shí)甚至有可能引發(fā)諧振，對(duì)于控制供電系統(tǒng)的總功率因數(shù)效果也不大。在實(shí)際運(yùn)行中，僅用無(wú)源濾波器無(wú)法滿足國(guó)家規(guī)范的要求。近年來，有源濾波技術(shù)開始規(guī)模化應(yīng)用。

有源濾波器是一種兼有動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，主要由諧波信號(hào)的檢測(cè)和補(bǔ)償兩部分組成，通過對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行采樣分析，可控制功率逆變器產(chǎn)生與之成分相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)從而對(duì)它能夠?qū)︻l率和幅值都發(fā)生變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，具有更好的補(bǔ)償特性。有源濾波器可以并聯(lián)在變電所0.4kV側(cè)母線處，實(shí)現(xiàn)諧波與無(wú)功的綜合治理作用。

今后，隨著技術(shù)的發(fā)展，在諧波源處設(shè)置諧波與無(wú)功的綜合治理設(shè)備，可使得治理措施更具目標(biāo)性和針對(duì)性，保證地鐵電網(wǎng)的可靠性，確保地鐵的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鴻.地鐵供電系統(tǒng)可靠性分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2012，19（07）：57-58.

[2]孫才勤.地鐵供電系統(tǒng)諧波無(wú)功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009（05）：40-43.

[3]李建民.城市軌道交通供電系統(tǒng)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：185-214.

作者簡(jiǎn)介：王睿（1973-），女，漢族，河南鹿邑人，本科，講師，研究方向：鐵道供電。