1、城市轨道交通供电系统谐波分析摘要：轨道交通供电系统中较多的为非线性负荷，存在大量的电机、UPS电源、变频器等装置，这些设备产生大量的谐波，使电力系统正弦波形畸变，电能质量降低，本文对谐波的产生及危害进行了分类阐述，并对轨道交通供电系统内主要负荷如何抑制谐波给出了具体的措施。 关键词：轨道交通 功率因数 谐波 损耗 中图分类号：U213.2 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 城市轨道交通中存在非线性负荷，除牵引整流机组外，还存在大量荧光灯、UPS 电源、变频器及软启动装置等。这些设备产生大量的谐波，使电力系统正弦波形畸变，电能质量降低。谐波需要综合治理，首先从谐波源头进行限制，其次采取必要
2、技术措施以降低谐波的危害程度。 2 谐波分析 2.1 谐波的产生 在理想干净的电力系统中，电源和电压都是纯粹的正弦波，由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成波形畸变。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递（如变压器） 、变换（如交直流换流器） 、吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。 城轨供电系统中的谐波源主要为电子开关型，即城市轨道交通中广泛使用各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备。 （
3、1）牵引供电系统谐波 牵引供电系统是城轨供电系统的主要谐波源。其中采用的牵引整流机组，属于非线性受电设备，电压畸变的程度取决于整流装置容量和电网容量的相对比值及供电系统对谐波频率的阻抗。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。这种非正弦电流波形，由于系统的参数、牵引整流机组的整流相数、接线方式的不同，波形畸变程度也不同。 整流相数（脉波数）越多，整流电压越平稳，纹波系数也低，所产生谐波的次数越高，特征谐波和非特征谐波的含量越低，若采用 12脉波整流，理论上讲，只产生 11、13、23、25 次以上特征谐波，而 24脉波整流只产生 23、25 次以上特征谐波。 实际上，由于各种非理
4、想因素（电网电压不对称、牵引变压器三相阻抗不对称等）的存在，不可避免地产生非特征谐波，24 相整流也将产生 5、7、11、13 次谐波，这些谐波的大小取决于牵引整流机组的制造技术。 （2）动力照明系统谐波 除牵引供电系统产生谐波外，动力照明设备也会产生谐波，以下设备是动力照明系统的主要谐波源：变频器、荧光灯、高压气体放电灯、计算机、软启动装置、电容器。 2.2 谐波的危害 当谐波含量超过一定范围时, 对城区国家电力系统、城市轨道交通动力照明系统以及 35 kV 中压环网系统可能产生以下危害: ( 1)使电力系统的继电保护设备和自动装置产生误动或拒动, 直接危及电网的安全运行, 严重时造成系统崩
5、溃、用户停电事故; ( 2) 使各种电气设备产生附加损耗和发热, 使电机产生机械振动及噪声。谐波使无功补偿电容器和其他电气设备因谐振或谐波放大使其熔丝经常熔断而无法运行, 严重时使电容器产生噪音、振动, 并使其过热、过电压而损坏; ( 3)谐波电流在电网中流动, 作为一种能量, 最终要消耗在线路及各种电气设备上, 从而增加损耗, 影响电网及各种电气设备的经济运行;( 4)由于谐波电流的存在, 通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用, 对周围的通信系统产生干扰, 降低信号的传输质量。高次谐波对通讯线路和控制信号产生电磁和射频干扰; ( 5) 谐波使电网中广泛使用的各种仪表产生误差; ( 6)
6、增加电网中发生谐波谐振的可能, 造成过电流或过电压引起的危险。2.3 抑制谐波的主要措施 轨道交通用电负荷一般分为 2 大类：一类是由牵引变电所提供机车用电的直流牵引负荷，另一类是车站、区间、控制中心及大型风机等所需的动力、照明用电。轨道交通供电系统在抑制谐波方面通常采取以下措施： （1）通过供电系统的供电方式对系统谐波进行抑制,三相整流变压器采用 Y/或/Y 联接,消除 3的整数倍的高次谐波。轨道交通供电系统建议采用集中供电方式，分三级供电，可以减少谐波对电网的影响。采用 110kV电源供给主变电所，将 110kV降压成 35kV后供给牵引变电所，这样变压器对由轨道交通供电系统产生的高次谐波
7、起到隔离抑制作用，使城市电网受到的谐波分量减小。变压器（35kV/0.4kV）对由牵引整流装置产生的高次谐波起到隔离抑制作用，使车站动力、照明电源受谐波电流影响较小。 （2）增加整流装置的脉动数，减少低次谐波，达到降低谐波的目的。牵引变电所采用 24脉整流装置代替 12脉整流装置是减少电网中谐波含量重要措施之一，脉波数越多，则其整流元件的导通角的间隔越小，产生的谐波就越少。在三相电源中，每相一个周期为 360，在一个周期中，整流后要获得 12个脉波数，则必须每隔 30就得有一个整流元件导通。同理，24 脉波的整流必须每隔 15就有一个整流元件导通。牵引变电所的 24脉波整流变压器一般由两 台
8、12脉波的轴向双分裂式牵引整流变压器组成。两台变压器的网侧绕组采用延边三角形接线分别移相7.5相位角，阀侧绕组采用 d、y 接法，两台变压器的阀侧绕组的线电压相位差15，经全波整流后并联运行，形成 12相 24脉波的整流变电系统。 （3）在谐波源处安装滤波器，吸收谐波。滤波器的类型、组数及调谐频率根据具体情况选定。为缩小投资规模，建议在 35kV侧装设滤波装置。该装置不仅能消除 5次和 11次谐波，而且对 7次和 13次等邻近的谐波也能有效抑制，使整个城轨的供电网符合国家标准所规定的要求。 （4）在 0.4kV电网中增加谐波回路，可消除高次谐波。在轨道交通降压变电所里，0.4kV 两段母线处装
9、设电容器组进行集中补偿，补偿电容器容量选择应将滤波电容器及长电缆的电容效应考虑在内。在具有非线性用电设备的 0.4kV电网中进行无功功率补偿，除了装设电容器外，还应在电容器前面串接扼流线圈，从而构成一个 LC串联谐振电路。通过谐振电路的调整，使谐振频率低于 5次谐波，或者说使谐振频率低于 0.4kV电网中出现的最低谐波的频率。 3 结束 本文对城市轨道交通中非线性负荷设备产生大量的谐波的产生及危害进行了具体的分析。并对供电系统内列车牵引负荷、车站动力负荷谐波的综合治理及措施做了具体的阐述，对轨道交通供电系统谐波的抑制提出了自己的见解。 参考文献 1 Vince Scaini, Bruce M. Urban High Current DC Choppers and Their Operational Benefits. IEEE, 1998(19) . 2 陶生桂 刘成永 胡兵.直流开关电源纹波分析J.城市轨道交通研究,2003(4):44-47. 3 郑瞳炽.城市轨道交通牵引供电系统M.北京:中国铁道出版社,2003. 4 黄俊 王兆安.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2002.
