南京地铁供电系统谐波治理浅谈

摘要：本文阐述了南京地铁供电系统谐波产生的两大原因及危害，阐述了24脉波整流机组对谐波的抑制作用，结合0.4KV系统谐波测试结果得出在低压系统中进行谐波治理的必要性，并介绍了有源滤波器进行谐波治理的方法。

关键词：地铁 供电系统 谐波治理 24脉波整流 有源滤波器

中图分类号： U231+.2 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2014）10-

1.地铁供电系统的概况

供电系统是城市轨道交通的重要组成部分，它不仅为列车提供牵引电能，还要为沿线各车站、车辆段等运营服务设施提供电能，如照明、通风空调、火灾报警、安全门等。在地铁运营中，供电一旦中断，不仅造成交通运输的瘫痪，还会危及乘客生命安全及造成重大财产损失。地铁的进线电源一般取自110KV城市电网，经主变电所降压后通过35KV中压环网供给各车站，再由35KV牵引变电所降压整流为1500V的直流电源供给牵引网作为牵引电力；另一方面，车站内各降压变电所将35KV电源降压为0.4KV的低压电，供给车站各低压负荷。

2.地铁供电系统谐波的来源

2.1谐波的概念

电力系统中有非线性负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅里叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

电力系统中谐波的危害，概括起来有：（ 1）影响供配电线路的稳定运行，供电系统继电保护装置在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用，产生误动或拒动。（ 2） 影响电网的质量：电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，产生大量的奇次谐波，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。（3）对电力设备的危害：谐波使变压器、电机的铜耗和铁耗增大，减少了变压器、电机等的实际使用容量，降低了效率。（4）谐波通过电磁感应、静电感应等传导方式耦合到通信、信号、火灾报警等弱电设备，对其产生干扰。（5）谐波产生谐振还会在电力系统中产生过电压及电气设备过电流的危险，造成电缆、电压互感器等设备过电压击穿。

2.2地铁供电系统谐波的来源

地铁供电系统谐波主要来自于车辆牵引供电的整流机组及车站设施设备的非线性负荷两大方面。车站内大量的非线性负荷将产生大量谐波，其来源归纳起来主要有以下几个方面：（1）、荧光灯及其整流器，荧光灯属于气体放电灯，电路中含有电弧，电弧的负阻特性产生谐波电流，电子整流器实际上是一个整流及升压逆变装置，在工作中主要产生三次谐波。即使采用LED作为车站照明，因LED照明灯具内部整流电路及恒流源电路，同样会存在谐波电流。（2）、车站设施设备如通信、信号、AFC等大量使用开关电源，从而在弱电系统中产生3次及高次谐波；（3）通风空调及给排水电机多采用变频软启动方案，电扶梯采用VVVF变频调速，变频器内部的三相六脉波整流电路会产生5、7次谐波等等。

3.谐波的抑制措施

3.1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。

3.2 0.4KV系统的谐波治理

地铁车站内各设施设备均从变电所0.4KV开关柜处取电，低压动力照明系统是一个设备繁多，接线复杂的系统，大部分负荷均为非线性负载，它们工作的同时向公共点即0.4KV母线注入谐波电流分量，造成0.4KV电压畸变严重，谐波超标。为掌握0.4KV系统中谐波的含量及分布情况，南京地铁供电中心与相关厂家分别于2010年8月及2011年7月对一号线新街口站和三山街站0.4KV开关柜开展谐波测试，测试数据均显示谐波分量严重超标。

3.3 三山街站测试情况

经我们多次在不同地点测试结果表明，南京地铁0.4KV系统谐波电流较为严重，主要是3、5、7、9次谐波干扰大，已大大超过国标，同时加大了电能损耗，因此需尽快采取滤波措施来抑制低压侧的谐波。3.4谐波治理方案设想

针对测试结论，当前治理谐波的主要方法是无源滤波装置和有源滤波装置两类。无源滤波器采用电力电容器、电抗器、电阻器组合而成的无源滤波装置来滤波，其原理是在供电系统中为谐波提供一个并联谐振的低阻通路，从而起到滤波作用，具有结构简单、运行可靠、投资低的优点。有源滤波器克服了无源滤波器的不足，能动态的对谐波进行反向补偿，谐波目标存留含量低；有源滤波器还可动态的对系统功率因素进行补偿，能同时将本系统功率因素控制在要求范围内。通过两者性能对比，我们认为采用有源电力滤波是消除地铁供电系统谐波危害的优选方案。

3.5有源滤波器谐波治理方案：

3.5.1基本原理

有源电力滤波主要由谐波信号的检测和补偿两个部分组成。通过检测电路检测出电网中电流的畸变部分，然后采用选择的控制方式来控制功率逆变器产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流注入电网，从而达到抵消电网中的谐波目的。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。

3.5.2 有源电力滤波器的设置和选择

（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。

3.5.3 低压供电系统中谐波治理的经济效益

在地铁0.4KV供电系统中，各设备的用电负荷为感性负荷，功率因数偏低，必然会造成内部线路损耗增加、降低变送电设备的有功输出容量。采用有源电力滤波器在补偿谐波的同时可以选择性的补偿无功电流，用于提高负荷功率因数以减小无功损耗，既解决了谐波对供电系统的危害问题，延长了设备使用寿命，同时节能效果显著。

4.结语

本文分析了地铁供电系统谐波产生的危害，提出了牵引整流机组和车站低压非线性负荷是谐波产生的两大原因。对于整流机组，采用24脉波整流可使谐波分量控制在国标以内，可不予治理。采用有源滤波器对0.4KV供电系统进行动态谐波方向补偿，同时可以提高功率因数，减小无功损耗，有利于设施设备的稳定并达到显著的节能效果。

参考文献

[1]陶乃斌，李建明，徐彦.城市轨道交通供电系统网侧谐波研究[J].郑州铁道职业技术学院学报，2010年6月

[2] 国标GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》.