張元君

摘要：隨著國家電氣化鐵道的發展，特別是高速鐵路的快速發展，鐵道供電系統也產生了大量的諧波污染，極大地影響電力系統的運行。本文主要基于對諧波的概念、產生和檢測以及如何采取有效的措施進行治理展開敘述。

關鍵詞：電氣化鐵道;供電系統;諧波;檢測及治理

引言

電氣化鐵道的迅速發展，其中高次諧波為主的電能質量問題也日漸明顯，隨著高速鐵路接入電網的方式發生變化，電力電子元件的應用等方案也得到創新，在今后的一段時間內，電氣化鐵道供電系統諧波的檢測與治理將成為廣大科研人員的關注熱點問題。因此，深入探討電氣化鐵道供電系統諧波問題是具有十分重要的理論意義和應用價值的。

一、供電系統諧波的基本概念

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50Hz）相同的分量。高次諧波的干擾是當前電力系統中影響電能質量的一大“公害”，亟待采取對策。供電系統諧波這一專業術語在國際電工學術界被定義為是具有一定周期的正弦弘波分量的電氣量，諧波的周期頻率為工頻的整數倍，也就是說任何具有周期性的畸變波形都可以用若干正弦波形的總數和來表示。在具體電氣化鐵道供電系統中，需要明確有關諧波的一下幾個問題：

（一）簡諧波和次諧波

在負電荷通過一些沒有運動規律和規則的諧波電流時，他們的運動頻率和周期也不再是整數倍，是分數次諧波。頻率為基波非整數倍的分量稱為間諧波，有時候也將低于基波的間諧波稱為次諧波，次諧波可看成直流與工頻之間的間諧波。

（二）諧波和暫態現象

在進行電氣化鐵道具體施工和操作之前，需要明確諧波和暫態現象是兩個截然不同的概念，也是兩種不同的物理現象。當電氣化鐵道供電系統受到外界環境干擾時，會呈現出高頻的特征，而處在這種狀態的諧波并不是間諧波，而是暫態狀態。

（三）陷波現象

陷波是電力電子裝置在正常工作情況下，交流輸入電流從一相切換到另一相時產生的周期性電壓擾動。陷波現象并不直接屬于諧波范疇，但他也是周期性的。

二、電氣化鐵路供電系統諧波的治理措施

（一）電氣化鐵路諧波的治理措施

經過多年研究，已經掌握了幾種有效治理供電系統諧波的措施和方案，其中頗具效果的是以下兩種：

（1）嚴格按照國家對電氣化鐵路供電系統諧波的要求，加強對其檢測

一般而言，在變電所內設置一些有關供電系統諧波檢測分析系統，主要是用于電氣化鐵路牽引變電所，能夠對電壓、電流、有功功率等發揮作用，并且將檢測的記錄統計在設備內，以供未來分析使用。目前這種方式已經應用在京滬高速鐵路、哈大客運專線等多條電氣化程度較高的鐵路上。

（2）加裝靜止無功補償裝置

在電氣化鐵道供電系統變電站中加進去真空開關并加加入諧波過濾補償器。補償裝置電路通過串聯的方式和電抗器連接在一起，并接于主變壓器的牽引繞組上。采用這種方式對供電系統的諧波進行治理的好處主要由以下幾點：首先是需要很小的補償設備容量就可以完成上述任務，能夠節省投資，同時還可以補償基礎網絡線路電感產生的無功功率。其次是能夠根據電壁的無功電流調整補償量，而且流入電力網的無功電流與諧波電流相對也比較小，能夠提高變電站的功率因素。

總之，基于開關投切時間的隨機性質，投機時會有很大的電流沖擊與很高的過電壓，很容易會對開關造成損傷，因此操作時需要格外這一點。但是目前這種缺陷已經得到有效解決和避免。而且這種方式也應用到南昆電氣化鐵路中，并且在不斷地完善和改進。

（二）供電系統諧波的治理方案

對于電氣化鐵路供電系統諧波的治理方案主要分為以下幾種：

（1）在諧波源的位置上安裝濾波裝置

目前這種方法被廣泛應用到供電系統諧波的控制和治理方面。特別是在高速公路的供電系統中得到充分使用。濾波裝置主要分為以下幾種：首先是無源濾波裝置。這只最簡單的一種裝置，僅有電感元件、電容元件以及電阻元件三種原件組成。這一類濾波器主要時設置在供電系統諧波源頭附近或者兩側，當高頻率的諧波和次諧波電流頻率相匹配時，便可以阻礙更高頻率的諧波進入供電系統，對電網造成不利影響。這一類裝置的主要優點在于投資小，維護起來便利，結構簡單等。這是目前抑制諧波和無功補償的主要措施。但這一類裝置也存在缺陷，即濾波效果與系統阻抗特性緊密相關，在碰到低頻、高頻等諧波時不僅會削減功效，甚至還會失去效果，且他的工作狀態也會收到溫度等外界環境的影響。第二種濾波裝置是有源濾波器。這種裝置的工作原理在于實時補償諧波電流的方法，即利用可以使用的半導體向電網內注入幅度大小相同、相位相反的諧波電流，這樣可使電流中的諧波相互抵消。這種裝置與無源濾波裝置相比，濾波效果并不受到抗性的影響，相對獨立性較強。而且這種裝置也具有較高的可靠性和可控性，能夠對各種現象做出靈敏反應，技能補償各種次諧波，抑制閃變現象，也能補償無功率。隨著科學技術水平的不斷提高，這類裝置的技術含量也在不斷提高，并且被廣泛應用在各大電氣鐵道中，尤其是應用在高速公路方面。最后一種是混合濾波器。主要是將前兩種濾波器的優點結合在一起，缺點相互抵消，能夠改善濾波器的特性還能避免發生諧振的缺點。

（2）限制電容器組的投入數量

在電氣化鐵道供電系統中并聯進去電容器可以有效調節電壓，矯正功率因素。這一方法對供電系統額組頻特性影響極其大。當諧波注入后，會在一定程度下，起到諧波方法作用，損壞電氣設備，甚至會對人身安全造成傷害，所以應當在允許的情況下，投入串聯的電抗器，避免諧波放大。

（3）增加換流裝置的相數

換流裝置是控制和治理諧波的有效手段之一，并且產生的效果與裝置的諧波電流成分有關。由于諧波電流與諧波次數成反方向變動關系，因此，可以通過增加脈動數量來增加整個系統裝置的諧波次數，這一可以大大降低諧波產生的諧波電流。

總結：本文主要圍繞電氣化鐵路供電系統諧波的概念以及如何有效治理展開詳細敘述，并提出幾點有效建議。這對包括高速鐵路在內的電氣化鐵道的發展和其供電系統的諧波認識與處理均有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]郭彭昱. 電氣化鐵道諧波治理補償裝置的仿真研究[D].大連交通大學，2018.

[2]王艷姣. 基于自適應諧波檢測的電氣化鐵路有源補償裝置方法研究[D].石家莊鐵道大學，2018.

[3]張樹蘭，曹娜，于群.電鐵牽引供電系統的諧波仿真模型分析[J].電氣傳動自動化，2014.

[4]左汝杰.地鐵供電系統的運行方式及特點分析[J].科技創新與應用，2019.

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