探析谐波对城市地铁低压配电系统的影响

探析谐波对城市地铁低压配电系统的影响

杜贤权

深圳市地铁集团有限公司运营总部广东深圳518041

摘要：地铁系统作为现代城市交通系统的重要组成部分，其电能质量状况越来越多的受到人们的关注。地铁除了牵引负荷（直流电动车辆）外，为保证地铁车站运营的功能性和舒适性，车站内还有很多动力照明设备，其中大量非线性设备的运行必然产生谐波电流。地铁车站内强电、弱电多个系统并存，高压、低压多个电压等级并存，交流、直流多个供电模式并存，使得地铁中电力电子设备产生的谐波污染己经成为阻碍地铁自身发展的极大障碍，因此准确的谐波分析，以及有效的谐波抑制，是创造更好的电磁兼容环境，保证地铁正常运营的需要。

关键词：低压配电；谐波；地铁；影响；

1典型地铁低压配电系统谐波源分布

典型地铁车站低压配电系统采用单母线分段接线，正常时母联分段，两台变压器并列运行，当一台变压器检修或故障时，切除三级负荷，另一台变压器承担全部一、二级负荷的供电从而保证地铁车站的正常运营。地铁低压配电系统主要用电负荷包括照明、环控、给排水、通信、信号、屏蔽门、综合监控、AFC、电扶梯等。

地铁车站低压配电系统存在大量的非线性电气设备，归纳起来有以下几种：（1）节能灯荧光灯，节能灯是照明负荷中极为节能的设备，随着经济的发展对其的使用也越来越多，而且大多数场合均会采用LED类照明设备，该类型照明设备存在着一个驱动电源部分，该部分的运行原理以恒流和恒压两种开关电源为主流，在开关电源工作的过程中必然会造成电网中谐波电流的污染问题，而且主要以3次谐波为主。荧光灯电路中含有电弧，电弧的负阻特性会产生谐波电流。谐波含量高会对电网产生干扰，对其他电器产品造成冲击，并对周围环境形成电磁污染，危害使用者的身体健康。如果大面积使用谐波含量超标的产品，其影响更为严重，不但污染环境，同时也影响着灯的照明效果及灯的寿命，而且严重影响人的视力健康。（2）变电所直流屏、EPS电源等，地铁车站内有变电所内的直流屏、应急电源(EPS)等设备均具有整流设备，整流设备在工作过程中会产生谐波电流，此类设备基本上为3相交流输入，所以主要产生6k±1次谐波。（3）通信、信号、AFC、综合监控等弱电系统UPS电源，地铁弱电系统应用在地铁的车站、车辆段、停车场、控制中心等场所，包括通信、信号、综合监控、电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门等部分，系统一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成，以上负荷均为一级负荷，有些甚至为特别重要的一级负荷，因此需要高可靠性的备用电源（UPS）进行不间断供电，以保证供电质量和供电连续性。（4）变频器以及软启动器，为达到改善启动冲击和运行节能的目的，部分风机和空调配置了变频器或软启动器。另外，地铁车站电梯和扶梯数量较多。目前，电梯、扶梯均采用交交变频调速方式。由于变频器的使用，必然会产生6k±1次谐波。软启动器的基本思路是通过控制反并联晶闸管组的导通角来控制输出电压。因此，软启动器从本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于能够任意调节输出电压，作电流闭环控制，因而比传统的降压启动方式（如串电阻启动，自耦变压器启动等）有更多优点。由于其内部主要还是通过对晶闸管的导通角控制因此存在谐波污染的问题，并且其特性类似于UPS类型的设备，主要以5、7次谐波电流为主。

2谐波对地铁系统的影响

谐波对于地铁系统的影响可以从输变电设备和通信系统两方面进行阐述：

2.1谐波对于输变电设备的影响

谐波会减少供配电线路、电力变压器及其它用电设备的寿命，甚至会导致电气安全事故发生；谐波还可能引起继电保护装置的误动或拒动，这是地铁运营中不允许的；此外谐波还可能对电能表产生影响，使其计量不准确。

（1）对供配电线路的影响：在电缆配电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增加了介质的电场强度。这一影响增大了局部放电、介损和温升，缩短了电缆的使用寿命，增加了事故次数。电缆的额定电压等级越高，谐波引起的上述危害也越大。谐波电流流过导体表面时会产生集肤效应和邻近效应。这两种现象都会使线路或设备产生更多的附加发热，从而影响绝缘寿命。除此之外，由于谐波电流会产生较高频率的电场，这种情况下绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升增加，也会影响绝缘寿命。

（2）对变压器的影响：对于Y，yn0型接线的变压器，特别重要的影响是3次及其倍数次零序谐波，由于Y，yn0型接线的变压器副边没有谐波通路，故变压器输出将会产生很大的畸变。对于供给不对称负荷的变压器，还有一个重要问题应当考虑到，即如果负荷电流中含有直流分量，则它将使变压器磁路的饱和度提高，从而使交流励磁电流的谐波分量大大增加。变压器副边输出谐波电压使输电线路热损耗增加，绝缘老化，寿命缩短；据有关部门试验表明：相同的电缆敷设条件，若通过一般的工频电流，其使用寿命为25年，而含有高次谐波的非正弦电流，其使用寿命只有15年。

（3）对继电保护装置的影响：谐波对继电保护装置会造成一定的影响，谐波会使继电器动作特性畸变或效果降低，造成保护装置的拒动或误动。近年来，尽管我们采取了一些降低谐波污染的措施，如使用滤波器、进行磁通补偿、谐波注入、直流纹波注入等等，但随着高度非线性设备的使用数量和额定容量的日益增大，局部地区电网中的谐波含量仍在逐渐增大。我们必须进一步增强对谐波危害性的认识，在电网规划、输变电工程设计中，在设备的选型、保护配置和计量装置的使用上要充分考虑到谐波对电力设施的影响。

2.2谐波对于通讯系统的影响

谐波对通信系统的干扰是一个在国际上被十分重视的问题，对此已进行了充分的研究并制定了相应的标准。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响。

2.3谐波对地铁安全运行的影响

地铁系统谐波治理能带来的经济效益是综合、长期的一个过程。谐波治理对地铁车站低压配电系统运行安全性的巨大帮助。地铁车站的主要用电负荷包括：环控系统、照明系统、电（扶）梯、信号、通信等。在地铁配电系统中存在大量的谐波源设备，如前文所述的节能灯、软启动器、变频器、UPS不间断电源、EPS应急照明系统等等。单个的谐波源造成的危害是比较小的，但不经治理的谐波汇集到400V母线时，会对系统的安全稳定运行造成危害。目前在我国，采用电力电子技术的各种新设备、新技术越来越多。由此导致的谐波危害发生频率也逐年增高。谐波治理已成为国民经济发展过程中一个必须要面对的问题。

3总结

城市交通轨道低压配电系统的谐波的产生不可避免，然而其对地铁低压配电系统的影响却是不容忽视的，甚至会威胁地铁运行的安全。对于地铁谐波进行准确的分析、采集，寻找到谐波源，并通过相关技术手段有效的抑制地铁谐波的产生，具有重要的意义。地铁系统的谐波抑制，可以通过采用无源滤波器（LC滤波器）或者有源电力滤波器设备，并通过集中补偿或者就地补偿等方式进行有效的抑制，将谐波治理真正落实到了城市轨道交通低压配电系统中，充分保障城市轨道交通低压配电系统的安全性、可靠性以及便利性。

参考文献：

[1]王文彬.地铁低压配电系统谐波分析及治理研究[J].电子测试,2014,(16):52-54.

[2]邱小梅.关于地铁车站低压配电系统的谐波防治[J].电气应用,2005,(11):121-124.