摘要：在城市道路交通日益拥堵的今天，地铁以其快捷方便、安全等优势受到越来越大的青睐，进而推动城市的发展。然而由于地铁的低压配电系统中存在大量谐波，谐波的存在会影响地铁设备的正常运行。本文阐述了地铁配电系统谐波的影响，并在此基础上提出了相应的治理措施.
关键词：地铁；低压配电系统；谐波；治理
一、地铁配电系统谐波的影响
配电系统内的谐波是指配电网络内的电流由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变从而产生的频率为基波的倍数的辅波或分量的电磁波，该类电磁波的出现不仅使得电力能源的生产、传输以及利用的效率大幅度降低，而且附带产生了电气设备散热功耗过大、振动噪声污染严重以及通电设备绝缘体老化烧毁等一系列恶劣后果。在地铁配电系统中谐波的危害显著，主要表现在以下方面：
1.1对电网的影响
谐波的发生对电网会造成极为严重的影响，而电网是供电的主要枢纽线路，一旦电网受到影响，势必会对电网供电的稳定性、安全性以及可靠性造成影响，例如，电网电阻过大出现解裂烧毁的现象、电网接地保护的功能失常、线路以及线路上的设备过热易烧毁、远程遥控系统受到影响对线路设备的遥控功能失常、增加电网功率的损耗、缩短电网以及电路设备的使用寿命等，对于地铁配电系统来说，一旦发生这类事故可能会造成某些控制系统的失灵，后果不堪设想。
1.2对电容器的影响
谐波电流对电网的影响极大，而谐波的程度也会对电网以及设备造成一定的危害，尤其对电容器来说，一旦谐波在电网中发生，很有可能对电容器的感抗值造成成倍的增加，而且，还会对电容器的容抗值造成成倍减少的想象，极易发生谐振的现象，使得电网中的谐波电流放大，对电网及其电网上的设备造成烧毁的现象，假如配电线路上的设备出现烧毁现象，会对地铁的运营造成一定的影响。
1.3对变压器的影响
谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。由于以上两方面的损耗增加，导致变压器的实际使用容量减少，在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。在地铁的低压配电系统中，配电变基本采用的都是星形或三角形的接线方式，这种接线方式为零序谐波在变压器一次侧绕组中提供了有效地环流通路，使得3次谐波向电源端的传导受到不同程度的抑制。然而，这种接线方式却不能完全阻止其它频次谐波传导至电源端内。无论谐波是否传送至电源端，只要谐波电流产生就会使变压器的损耗增加。
1.4对电缆的影响
对电力电缆的危害由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。尤其是地铁配电系统中所采用的大多都是干式电缆，谐波电流对干式电缆会造成更大的影响，而且还会产生单相接地的故障现象。
1.5对电动机的影响
谐波电流会造成电动机利用率下降、损耗增大。当电动机的损耗增加时，电动机内部线圈的温度会随之升高，从而使其使用寿命下降。其中负序谐波对电动机造成的危害最为严重。负序谐波中较为典型的应属5次及11次谐波，它们产生的反相旋转磁场会造成电动机的转矩降低，并且还会和正序分量一起致使电动机出现抖动，伴随着抖动会产生出一定的噪音。由于谐波电流会造成电动机实际功率降低，为确保电动机的输出功率正常，就必须增大输入电流，这样一来势必会导致功率损失及温度升高，最终影响电动机的使用寿命。
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二、地铁配电系统谐波的治理
2.1整流机组的谐波抑制
地铁牵引供电整流机组现在已普遍采用24脉波整流，取代早期的12脉波整流，抑制谐波效果显著。据测试，24脉波整流，谐波总含量比12脉波整流机组降低30%以上，其中11、13次谐波电流分量较12脉波降低80%，整流变压器采用星-三角或三角-星接线组别，这样可以消除3的整数倍谐波。故24脉波整流机组已作为国内轨道交通牵引供电的规范接线形式，地铁建设期间均已考虑到牵引整流机组的谐波治理，谐波畸变率已达到国标要求，故可不需要对其进行谐波治理。
2.2有源滤波器谐波治理
谐波源一般是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流，供电系统一般为被保护对象。有源滤波器（APF）表现为受控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。在采用有源滤波器进行谐波治理的时候需注意：①接入点的选择可以在电网的任意点接入。在对电网进行谐波测量后，得知电网不同的关键点的谐波畸变，选择有源电力滤波器的安装位置。②补偿方式的选择：有源电力滤波器可以根据负载和配电系统的实际情况，灵活的选择不同的补偿方式，达到滤波效果和投资的最优化。
2.3APF+SVG的补偿方法
由于地铁系统的特殊性，要综合解决谐波、无功功率问题，最好的方法就是将有源滤波（APF）和动态无功补偿（SVG）结合起来使用。首先在地铁变电所400V侧设置有源滤波装置（APF），将400V设备产生的谐波进行净化，减少谐波对系统设备的损害和系统运行安全。APF同时有无功补偿能力，可以提高负荷功率因数到0.9以上，减少动力变压器安装容量。经核算，将动力照明负荷功率因数由0.8提高到0.9，可以将动力变压器安装容量减少一个等级。为了减少投资，还可以将有源滤波和FC无功补偿同时设置在变电所400V侧，收到的效果更好。提高功率因数后，负荷产生的感性无功功率被抵消，而电缆充电无功功率（容性功率）不变，导致夜间休车时段容性无功功率大量过剩，向电力系统反送，地铁系统负荷功率因数降低。因此有必要在地铁主变电站设置动态无功功率补偿装置SVG。设置SVG的功能是白天发出容性无功功率，补偿多余的感性无功功率，将功率因数提高到0.95以上。夜间发出感性无功功率，补偿多余的容性无功功率，使供电系统负荷成感性，同时将功率因数降低至0.95以下。由于在主变电站设置SVG，可以将地铁主变电站110kV侧的功率因数作为控制目标，方便地实现感性和容性双向补偿。
2.4对变频器的要求
地铁系统内除了变频器，还有大量其它重要设备，如果变频器不治理谐波，就有损坏其它设备的可能。地铁行业要解决这个问题，要求变频器内置电抗器。变频器的抗干扰性都比较强，但是，其电磁发射性也是非常强的，一方面干扰周围的仪器仪表，其二，地铁线路在市区穿行，可能经过医院，商业大厦，电信基地等等对电磁干扰比较敏感的地方，必须抑制emc干扰，需要变频器内置emc滤波器。
2.5适当加大低压电缆及低压柜中母排的中性线截面
车站变电所电容补偿使用带电抗器的补偿系统后，可以使变压器的损耗减少，进而可提高变压器利用率。但车站低压配电系统内为非线性负荷配电的电缆及低压柜母排的中性线中还是有大量谐波电流的。为了防止中性线过热而引发事故，应适当加大中性线截面。
结语
谐波治理是一个综合治理过程，是改善地铁配电系统运行品质的重要手段。对于地铁配电系统谐波的影响我们要采取有源滤波器谐波治理、APF+SVG补偿等方法实现。
参考文献：
[1]段永强.地铁供电系统谐波的分析及治理[J].城市轨道交通研究，2012（6）.
[2]邹永志.地铁配电系统谐波产生原因及危害分析[J].煤炭技术，2010（6）.
论文作者:周小英
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/3/27
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