高鐵站房供配電系統三相不平衡與諧波分析

許艷飛，李永浩，劉 晗

0 引言

高鐵客運站屬于人員高度密集的公共建筑，其站房形式多樣，站房內機電系統大多具有工藝復雜、接口眾多的特點。我國高速鐵路建設得到了快速發展，與之配套的高鐵站房在建設規模及站房內用電設備配置方面較以前有較大不同，尤其是高鐵樞紐站，各類用電負荷較集中，各類設備在安裝容量、運行特性等方面存在較大差異，同時也對電能質量提出了較高要求。與此同時，用電負荷產生的諧波電流也會對電能質量造成較大影響。因此，對高鐵站房的電能質量進行監測分析，減少諧波電流對電能質量的影響十分必要。目前，鐵路客運站中的各類照明設備、LED顯示屏、安檢設備、UPS電源、冷水機組、變頻空調、變頻風機等均是易產生諧波的負荷[1]。本文將以京廣高鐵某高鐵站為例，對上述問題進行分析。

1 三相負載不平衡運行分析

在三相四線制供電系統中，線路長期處于三相負載不平衡運行工況，中性線有電流通過，帶來不必要的電能損耗，嚴重時會影響電力系統安全穩定。為確保電力系統安全經濟運行，必須高度重視三相負載不平衡問題。

1.1 三相負載不平衡運行測定

在三相交流電路中，三相電流值是按正弦規律變化的，三相電流相位互差一定角度，其值不可能在同一時刻達到最大值，因此零線電流值應為三相電流的相量和，即

將式（2）—式（4）用復數法展開后代入式（1），合并后可得

1.2 三相負載不平衡運行對電能質量的影響

1.2.1 三相不平衡時附加損耗的計算

選擇1條典型線路，假設相線與中性線電阻均為R，當處于三相平衡狀態時，線路電流為I，則相應的平衡狀態下的線損ΔP為

當線路處于三相不平衡狀態時，三相電壓、電流相量不對稱。根據對稱分量法，任意1組不對稱的三相電流相量可以分解為3組三相對稱的電流相量：正序、負序和零序電流向量。假設：

式中：IA、IB、IC分別為A相、B相、C相電流相量的有效值。

當線路處于三相不平衡狀態時，中性線將有零序電流流過，此時三相四線制的有功線損ΔP為

式中：IN為中性線電流的有效值，IN= 3I0。

1.2.2 諧波產生的附加損耗計算

隨著現代電子技術的迅速發展以及智能電網、分布式電源的并網運行，大量非線性、沖擊性、不平衡性負荷接入電網，導致電力系統波形失真，給電網帶來了大量諧波污染，進而造成嚴重危害[2]。

為了分析單次諧波畸變的嚴重程度，本文采用第h次諧波電流含有率HRIh進行描述，即

式中：h為諧波次數；I1為基波電流的有效值；Ih為第h次諧波分量電流有效值。線路的h次諧波阻抗為

式中：R為導體的基波電阻值；Rh為第h次諧波的電阻值。

設k為正整數，分2種情況計算諧波線損。

（1）h= 3k+ 1次諧波屬于正序諧波，h= 3k+ 2次諧波屬于負序諧波。這2種諧波在平衡狀態的線路中產生的損耗ΔPh為

（2）h= 3k次諧波屬于零序諧波，故在相線和中性線上均會產生損耗，其計算式為

2 站房變電所諧波分析

通過對該站東南2號變電所進行現場測試，分析負荷諧波特性，為制定諧波綜合治理方案提供參考。

2.1 測試方案

搭建測試環境如圖1所示，通過FLUKE1760三相電能質量記錄儀采集總線及兩路支線相關參數：三相相電壓UA、UB、UC；三相相電流IA、IB、IC及零線電流IN；各相諧波電流及零線諧波電流。

圖1 電壓電流采集示意圖

2.2 母線測試結果

采集進線三相相電壓、三相相電流、零線電流以及各電流2～30次諧波成分，采集時間為34 min，采樣間隔為200 ms，共采集數據點3 061個。

2.2.1 三相相電壓測試結果

通過采集ABC三相對地電壓值，得到三相相電壓有效值如圖2所示，三相電壓的相關數據如表1所示。

圖2 三相相電壓有效值

表1 三相電壓相關數據 V

由圖2、表1可以看出，三相電壓的波動幅度不大，基本處于穩定狀態。

2.2.2 三相電流測試結果

通過測試，采集得到的三相電流值如圖3、表2所示。

圖3 三相電流

表2 三相電流相關數據 A

由圖3、表2可以看出，三相負載電流的波動幅度不大，基本處于對稱狀態。

2.2.3 零線電流測試結果

采集零線電流如圖4所示。

圖4 零線電流

由圖4可知，零線電流最大值為373.28 A，最小值為305.17 A，平均值為342.03 A。由此可見，零線電流較大，為進一步分析電流成分需進行諧波電流分析。

2.2.4 三相諧波電流測試結果

測量某時間段內的2～30次平均諧波電流，其三相諧波的絕對值測試結果如圖5所示。

圖5 三相諧波絕對值

由圖5可以看出，諧波成分中奇次諧波最多，主要集中在3～15次，其中ABC三相3次諧波成分最嚴重，均為最大，其次為5，7，9次諧波等。

2.2.5 零線諧波電流

測量某時間段內的零線2～30次平均諧波電流，其結果如圖6所示。

圖6 零線諧波電流絕對值

由圖6可以看出，諧波成分主要集中在3次諧波，其值為337.52 A，其次為5、7、9次諧波等，分別為15.01，7.7，10.61 A等。

2.3 支線測試

采集兩路分支的三相相電壓、三相相電流、零線電流以及各電流2～30次諧波成分。

2.3.1 三相相電壓測試結果

采集ABC三相對地電壓值，得到兩支路三相相電壓數據。支路1的A相電壓在227.43～228.89 V范圍內波動，平均值為227.64 V；B相電壓在227.11～227.73 V范圍內波動，平均值為227.50 V；C相電壓在226.79～227.48 V范圍內波動，平均值為227.18 V。支路2的A相電壓在227.26～228.48 V范圍內波動，平均值為227.94 V；B相電壓在227.53～228.35 V范圍內波動，平均值為227.83 V；C相電壓在226.64～228.13 V范圍內波動，平均值為227.57 V。

由此可以看出，兩支路的三相電壓波動幅度不大，基本處于穩定狀態。

2.3.2 三相電流測試結果

采集ABC三相電流值，得到兩支路三相電流如圖7所示。

圖7 三相電流測試結果

由圖7的電流曲線可以看出：支路1的A相電流在45.757～46.205 A范圍內波動，平均值為45.98 A；B相電流在42.09～42.592 A范圍內波動，平均值為42.38 A；C相電流在23.884～24.383 A范圍內波動，平均值為24.16 A。支路2的A相電流在13.563～31.785 A范圍內波動，平均值為23.40 A；B相電流在21.317～41.268 A范圍內波動，平均值為33.52 A；C相電流在33.208～51.211 A范圍內波動，平均值為44.14 A。

由此可以看出，三相負載電流的波動幅度較大，負載處于不對稱狀態。

2.3.3 零線電流測試結果

采集支線零線電流，得到零線電流如圖8所示。

圖8 零線電流測試結果

在采集時間段內，支路1的零線電流最大值55.634 A，最小值54.998 A，平均值55.357 A；支路2的零線電流最大值25.009 A，最小值15.925 A，平均值19.48 A。零線電流值處于較高水平。

2.3.4 三相諧波電流測試結果

測量某時間段內的2～30次平均諧波電流，其中三相電流諧波絕對值的測試結果如圖9所示。

圖9 三相諧波電流測試結果

由圖9可以看出，諧波成分中奇次諧波成分最多，主要集中在3～25次諧波，其中ABC三相3次諧波最嚴重，均為最大，其次為5次、7次諧波。

2.3.5 零線諧波電流測試結果

通過測量某時間段內的零線2～30次平均諧波電流可知，諧波成分主要集中在3次諧波，其值為52.101 A，其次為5，7，9次諧波等。采集時間段內零線諧波電流主要成分如表3所示。

表3 零線主要諧波次數及大小 A

2.4 測試結論

針對該站東南站房、西站房內商業用變壓器零線電流較大的情況進行現場測試，分析測試結果發現，零線電流過大造成的發熱問題主要是由于負載所產生的3次諧波導致。經過現場分析，這與東南站房、西站房內商業用變壓器的供電負荷為車站LED廣告顯示屏有關，其屬于單相整流負載。

3 諧波危害分析及治理建議

諧波的危害主要是諧波電流造成的影響。諧波電流流過變壓器，導致變壓器產生額外的熱量，引起局部過熱，振動、噪聲增大，繞組發熱等；諧波電流流過低壓電纜，導致電纜過熱，電纜的介質損耗和輸電損耗增大，局部放電增加，單相接地等故障的發生率增大；諧波電流注入電力電容器組時，電容器產生過負荷，縮短了其使用壽命，電容器諧波電流放大也可使電容器因過熱而損壞[3]。另外，諧波對繼電保護裝置也會造成不良影響，當電源的諧波分量較高時，易引發過電流、過電壓保護的誤動作。

抑制諧波有多種方法和方案，可根據線路和設備的實際情況選用合適的方案，當前常用的方法有：選用合理的低壓電氣設備和變壓器接線方式；對于非線性負荷與敏感負荷采用不同的供電線路，對于諧波含量較大的單體設備或設備組采用專用回路供電，并就地設置有源濾波器進行補償[4]；在變電所低壓母線側設置濾波裝置。

當前電力系統采用的濾波裝置分為無源濾波器和有源濾波器兩種。無源濾波器可濾除某一次或多次諧波，具有結構簡單、運行成本低、運行可靠性較高等優點，被廣泛應用于諧波治理，常用的單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器等均為無源濾波器[5]。有源濾波器能夠對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，而且可以同時實現諧波、無功和三相不平衡的補償[6]，相對于無源濾波器，其諧波治理效果好，但投資較高。

4 結語

目前，我國高速鐵路尤其是客運專線發展較快，鐵路客運站與城市發展密切相關，大型及特大型站房是城市的交通運輸樞紐，其供電可靠性直接影響鐵路運行安全和運輸秩序。本文對京廣鐵路某高鐵站東南站房、西站房內商業用變壓器零線電流較大的情況展開研究，得到了零線電流過大導致的發熱問題主要是由于負載所產生的3次諧波導致的結論，并提出了相關的治理建議，為制定有效的諧波治理方案提供參考。