地铁电力系统中谐波产生原因及危害探讨

摘要：轨道交通是由多个系统工程构成的，各个系统互相依存、互相影响，由于电力电子技术的发展，各种新型用电设备在轨道交通行业中大量应用，高次谐波的影响越来越引起业者重视，这就要求从业者充分地论证分析，采用适合轨道交通行业的方式，将可能的影响降到最低。

关键词：地铁；谐波；危害

中图分类号：U231+.3 文献标识码：A 文章编号：

1 地铁低压配电系统中的谐波源

谐波产生于发输电、供变电和用电各个环节，但产生谐波最多的是用电环节。电力谐波产生源主要是系统网络中的非线性元件如整流装置、饱和状态的铁磁性元件。

整流装置是产生谐波的主要来源。理论上，整流装置产生的谐波次数为相数（或每周脉冲数）的整数倍±1，而谐波电流与谐波次数成反比。如：单相整流电路中 3 次谐波的含量可达基波的 33%；三相全控桥式 6 脉整流器电路中 5 次谐波含量 20%。由此可见，整流装置相数越多，其产生的谐波电流值越小。地铁牵引系统采用的整流机组均为 24 脉波，其所产生的谐波电流已大大减少。地铁低压配电系统用电设备中的谐波源主要有以下几种：

（1）非线性电光源

荧光灯因具有光效高、显色性好、配用电子镇流器后也可调光（调频调幅）等优点被大量使用于建筑内外的各种场所，但均含有奇次谐波。各种荧光灯的谐波电流含有率相差较大：普通绕线式电感镇流器含有率 12%～13％的 3 次谐波；普通电子镇流器主要设置了逐流型的滤波电路，其谐波总量在 20%以上，低谐波型电子镇流器加强了谐波的过滤，其谐波总量可以控制在10%～15%；另外，为提高功率因数，荧光灯一般均装有并联电容器，但电容器起明显放大谐波的作用。

（2）计算机类弱电负荷

大多数计算机类设备都使用了开关电源(SMPS)。它将传统的变压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后通过高频 PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管输出所需的多个直流电流，通过控制 PWM占空比达到稳定输出的目的。它们不能从电源汲取连续的正弦电流，而只能汲取脉冲电流，从而产生大量的三次及高次谐波的分量。

（3）变频器和软启动器

变频器和软启动器已越来越多地被运用到地铁系统中的水泵、电梯、通风及空调系统中，变频一般分为 2 类：交 -直 - 交变频器和交 - 交变频器。二者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次、分次、高次)的谐波。多数产品采用 6（或 12）脉整流，因而含有大量的5（或 11）次谐波。由于多数产品自身都采取了谐波防治措施，但质量良莠不齐，其谐波含量也相差很大，从 10%～40%不等。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。

（4）UPS、EPS电源

UPS 不间断电源、EPS 应急电源所产生的谐波主要是由其内部的整流装置产生的，因其谐波含量与整流装置相似。地铁配电系统中的设备产生的大量的谐波电流，严重地污染了电网质量，谐波对用电设备也会产生较大危害及用电隐患。特别是无功补偿的投入使谐波进行放大，导致电容器烧毁、损坏等。

2 谐波污染对地铁各个系统的危害

2.1 谐波污染对电网的影响

谐波污染造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。

造成系统中的设备和元件产生的附加损耗，引起变压器、电缆、电机等设备发热，加速绝缘老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量；造成电子元件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。

2.2 谐波对配电变压器的影响

谐波电流使变压器的铜损增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热。谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加。

2.3 谐波对电缆的影响

谐波污染会使电缆的介质损耗、输电损耗增大，泄漏电流上升，温升增大，干式电缆的局部放电增加，引发单相接地故障的可能性增加。

谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

3 抑制谐波的措施

为了把谐波对电力系统的干扰（污染）限制在系统可以接受的范围内，我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和 IEC 标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。

地铁低压配电系统抑制谐波的主要措施有：（1）设置电容型无功补偿装置；（2）设置有源滤波装置；（3）当 2 台以上整流变压器由同一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成 Y型和形，这就可使5 次、7 次谐波相互抵消，而只需考虑 11 次、13 次谐波的影响，由于频次高，波幅值小，所以危害性减小。

4 结论

在地铁交通项目建设过程中，首先在设计时要对整个项目谐波源进行统计，并根据配置情况，对谐波的产生情况和可能存在的危害进行充分的论证。其次根据以上的分析确定是否有必要采用相关的措施来减少和避免谐波对轨道交通各个系统的危害，以保证地铁运行安全、节能。

参考文献：

[1]袁青山，于国栋.上海轨道交通供电系统电力谐波的分析和治理[J].城市轨道交通研究.

[2]李群湛.城市轨道交通供电[M].成都：西南交通大学出版社，2005.