地鐵低壓配電系統諧波分析及治理研究

胡仲凡

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海200000）

1 引言

隨著我國城市化進程的加快，城市規模和人口數量不斷增加，對城市公共交通的運輸力量以及便捷性都提出了很高的要求，很多大中型城市都加強了地鐵系統的建設，以滿足城市居民的出行需要，因此要求地鐵系統的配電系統必須安全可靠。但地鐵低壓配電系統存在大量的復雜機電設備，包括UPS、變頻設備及大量的照明設備等，設備在運行過程中所產生的諧波也是影響地鐵低壓配電系統運行安全的重要因素。所以要對地鐵低壓配電系統諧波問題進行深入的分析，并采取有效的治理措施，保證地鐵系統的安全運行，從而推動我國城市公共交通體系的健康發展。

2 地鐵低壓配電系統諧波分析

目前，在我國地鐵的低壓配電系統中主要采用的是單母線分段接線方式。當系統處于正常運行狀態下時，通過母線分段實現并列運行2臺變壓器。而在對其中某臺變壓器進行維修以及其發生故障時，系統可以將三級負荷切除，一、二級的全部負荷可以均由另一變壓器設備來承擔，這樣可以確保地鐵系統運行的安全性和穩定性【1】。在低壓配電系統中包括了通信系統、環控系統、照明系統、監控系統以及相關的電梯等輔助性用電負荷。

2.1 諧波源在地鐵系統內的主要分布情況

在地鐵低壓配電中有不同類型的非線性用電負荷存在，其主要包括下面幾類電氣設備。

2.1.1 地鐵系統的軟啟動以及變頻設備

在地鐵系統中使用了大量的軟啟動設備以及變頻裝置來減少自動扶梯、風機及水泵在啟動過程中所受到的沖擊，并達到節能降耗的目的，不過這些裝置的使用也會導致諧波的產生，且該諧波主要為6 000±1次類型。

2.1.2 地鐵系統的照明設備

在地鐵系統中使用的照明設備大多是熒光燈或LED燈，熒光燈的電子鎮流器及LED燈的驅動電源都會導致諧波電流的形成。由于地鐵系統的照明設備主要采用的是單相電源的供電方式，因此所產生的諧波主要為2 000±1次類型。

2.1.3 地鐵系統的UPS電源設備

為了保證地鐵系統中信號系統、通信系統以及監控系統等大量弱電設備運行的穩定性，一般需要采用UPS電源來保證供電的連續性以及供電質量，這也是諧波產生的重要來源。

2.1.4 地鐵系統的檢修設備

在對地鐵隧道或地鐵車站機房進行維修時，往往會有電弧產生，由于電弧具有負阻特點，因此會導致諧波電流形成。不過由于此類諧波電流通常只在短時間內存在，因此并不會對電網運行產生明顯的影響。

2.1.5 地鐵系統的應急消防電源以及直流屏等設備

由于這類電源在運行過程中均有整流過程存在，因此有可能有諧波電流形成。同時該類電源大多采用的是三相交流的輸入方式，產生的諧波主要為6 000±1次類型【2】。

2.2 地鐵系統諧波的危害性分析

2.2.1 低壓配電系統諧波對地鐵通信設備造成的危害

地鐵通信系統在諧波干擾下會產生較大的噪聲，并造成信號出現丟失的情況，不僅會對通話清晰度產生不利的影響，甚至會威脅到相關人員以及設備的安全。

2.2.2 低壓配電系統諧波對地鐵輸變系統造成的危害

當地鐵低壓配電系統中產生諧波時，往往會使繼電保護設備發生拒動和誤動現象，不僅會給系統運行帶來嚴重的安全風險，而且還會造成變壓器設備、無功補償裝置以及輸電線路的使用壽命縮短等經濟財產損失。

當地鐵低壓配電系統中產生諧波電流時，高頻電場內的絕緣放電現象會隨之增加，不僅會造成絕緣介質溫度升高，而且會增加其損耗，導致絕緣介質的使用壽命縮短，從而影響輸電線路的運行安全。

當地鐵低壓配電系統中產生諧波電流時，諧波大多為零序諧波或3次諧波，會造成變壓器繞組溫度急劇升高，必須要采取必要的治理措施【3】。特別是不對稱負荷供電的變壓器設備中，一旦有直流分量存在于負荷電流內時，將明顯增加變壓器磁路飽和度，這會使勵磁交流電流中產生大量的諧波分量，嚴重威脅變壓器設備的運行安全。此外，無功補償電容器會使諧波電流明顯被放大，當諧振超過30倍時，就會導致過電流以及過電壓的產生，并造成電容器溫度升高，加大設備損耗，縮短電容器的使用壽命。

3 地鐵諧波治理解決方案分析

目前，在治理地鐵低壓配電系統的諧波問題時，主要采用的是就地補償以及集中補償方式。所謂就地補償主要是指在交流進線的諧波源位置布設濾波裝置，實現利用濾波裝置對諧波進行就近補償的目的，這是一種非常有效的補償方式，不過其在實際應用中需要較高的成本。而所謂集中補償則主要指的是將諧波補償裝置設置在電網連接用戶用電系統的節點處，這樣諧波源所產生的大量諧波電流在進入變壓器母線時就會被有效抑制，這種治理方式能夠對上級電網進行有效的保護，而對下級電網的影響不明顯，其優勢主要在于治理的成本相對較低。

在對地鐵低壓配電系統進行諧波治理時，應重點減少諧波對地鐵的指揮通信系統以及測控等關鍵系統的污染，同時，要防止諧波所導致的中線過載引發火災，還要盡量減少低壓配電系統諧波影響自用變壓器和上級電網的運行安全。采取對變壓器采取集中補償治理方式雖然在避免發生火災以及防止諧波污染上級電網方面具有較好的效果，然而，其在控制諧波對地鐵重要用電負載影響方面的效果比較有限，因此，在治理實踐中為了保障地鐵系統指揮通信以及測控等核心負載的運行安全，應采取就地補償方式來對地鐵低壓配系統的諧波污染進行治理，從源頭上抑制諧波的形成。同時，在選擇補償方式時還需要充分考慮選型、施工以及補償成本等因素，在保證諧波治理效果的基礎上應科學選擇濾波設備型號，合理確定裝置數量，降低諧波治理成本，并根據地鐵低壓配電系統中負載類型的不同，綜合運用集中補償與就地補償方式，全面提高諧波治理的有效性和經濟性。

在諧波治理時，應集中對需要重點保護的指揮通信負載、測控負載以及其他諧波源負荷進行類型劃分，并根據其類型的不同來合理設計負載在系統中的位置。例如，可考慮在低壓母排末端集中設置諧波源的主要負載，并在與變壓器相鄰的一側設置各種需要重點保護的負載。在重點保護負載和諧波源負載間應設置濾波裝置，以達到集中補償治理的目的，這樣使地鐵低壓配電系統中的諧波在經過治理后僅在諧波源負載間存在，既能夠有效降低諧波對上級電網和地鐵系統核心負載的污染，又能夠合理控制治理成本。

4 PSCAD仿真與驗證

為了驗證濾波裝置對地鐵低壓配電系統諧波的抑制作用，可以采用PSCAD軟件來模擬現場工況，并分析濾波的具體效果。在構建仿真模型時，現場電網進線參數按110kV設置，并將變壓器參數分別設置為35V/0.4kV和110kV/35kV。同時，將空調負荷容量控制在200～300kW，總照明容量參數設置為100kW左右。此外，還要設置100～120kW的總UPS總容量以及15～30kW的電梯容量，而短路容量則設置為2 000MV·A。通過對某次進行了2s的仿真模擬分析，發現在運行1s和1.5s后分別投入有源濾波裝置以及無功補償裝置，當投入有源濾波裝置以及無功補償裝置后，有效改善了電流以及電壓波形，同時畸變率也降到了國家標準所要求的3%。特別是當無功補償裝置與濾波裝置的相互配合，使電網側所產生的諧波電流出現了明顯的減少，進一步提高了濾波效果，達到了治理諧波的目的。

5 結語

地鐵低壓配電系統會直接影響地鐵系統能否實現正常運營，而諧波是影響地鐵低壓配電系統運行安全性和可靠性的重要因素，因此必須對其采取有效的治理措施，并通過仿真模擬等技術手段來分析治理的效果。通過現場試驗以及仿真分析發現，通過設置無功補償裝置以及有源濾波裝置的方式能夠有效改善電壓電纜在電網側的波形，并減少負載所產生的諧波。而且濾波器與電容補償柜的配合使用能夠進一步提高濾波效果，從而為保證地鐵系統的安全運行提供更加可靠的保障。