地铁供电系统脉波整流对系统谐波影响

赵大伟 魏宏伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

地铁供电系统脉波整流对系统谐波影响

赵大伟 魏宏伟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

地铁供电系统大量采用可控硅整流设备和非线性负荷投入，在交流侧产生大量的谐波电流注入电网，影响公用电网的供电质量。通过对地铁牵引供电系统谐波分析，给出谐波电流计算方法，求解出各脉波整流机组注入电网谐波电流，通过对各脉波整流机组注入电网的谐波电流进行比较研究，得出整流机组脉波项数对注入电网谐波电流的影响。在此基础上，提出增加整流机组脉波项数抑制谐波的解决方法和措施。

地铁 谐波电流 供电系统

在地铁供电系统中，中压网络采用交流系统，通过牵引整流机组把交流电流整流成相对稳定的直流电流供给车辆电能和车载设备用电。由于整流设备单向导电工作，在正反向电压作用下其电阻值差异很大，因而整流装置从交流电力系统得到的是非正弦波，这种波形根据系统参数、整流装置项数、接线和运行条件的不同而发生很大畸变。地铁牵引供电系统使用大量可控硅整流设备，其高压侧产生大量的谐波电流注入电力系统，不仅直接影响地铁机车运行安全而且影响公用电网的供电质量。对地铁牵引供电系统各脉波整流系统注入电网谐波的电流进行分析，提出抑制谐波的主要措施。

1 谐波的产生和危害

地铁牵引供电系统的谐波主要是牵引变电所整流装置引起的。整流装置交流电源的电流为矩形波，该波为工频基波和基波奇数倍的高次谐波合成的电流波形，故使电压、电流波形发生畸变。此外，操作动作、系统振荡、电弧、雷电等也会产生谐波。

当谐波含量超过一定范围时，对城市电网系统可产生以下危害:

①注入系统的谐波电流会引起电力系统的继电保护装置误动或拒动，影响电网的安全运行。

②注入系统的谐波电流并不做有用功，会消耗在电网内电气设备及线路上，引起设备发热，使电机产生机械振动及噪声，影响电网系统经济运行。

③谐波造成电网中各种计量仪表产生误差。

④谐波电流会对周围的通信传输设备产生干扰， 影响信号的传输质量。

⑤谐波电流可能会引起电网发生谐波谐振，造成谐波过电流或谐波过电压危险。

总之， 注入电网的谐波会使电力系统中的电力设备，如变压器、电容器、电缆等设备发热，造成绝缘加速老化，减少使用寿命；谐波还对通信信号产生干扰，降低通信质量。电力系统的谐波电压和谐波电流会对机车的驱动电机产生干扰，影响机车安全可靠运行。

2 谐波电流的计算

地铁外部电源供电方式一般采用集中供电方式，沿线设置主变电所，从城市电网地区变电站接引两回独立可靠的110 kV进线电源供电，通过中压环网为牵引变电所供电。

设牵引变电所功率为SN，中压环网等级为UN，则每座牵引变电所注入电网的谐波电流为

(1)

考虑一个主变电所供电范围内有多座牵引变电所运行，同次谐波电流间存在相位差，且随谐波次数不同，相位差又有差异。35 kV侧谐波电流的叠加可用下列公式计算

(2)

式中，I1h、I2h为第一座牵引变电所、第二座牵引变电所的h次谐波电流；θh为两座牵引变电所h次谐波电流的相位差。

110 kV侧谐波电流可用下列公式计算

(3)

式中，K为主变压器高低压侧变比。

当主所供电范围内有超过两座以上牵引变电所时，谐波电流的叠加计算是先按式(2)叠加两座，然后再将叠加结果与第三座牵引变电所仍按式(2)相叠加，以此类推。

3 算例

以某地铁项目为例，详细阐述谐波电流计算方法，并将各种脉波整流的谐波计算结果进行比较。

某城市地铁1号线采用集中供电方式，设置客运西站、长风东街主变电所两座，其中客运西站供电范围内设置6座牵引变电所。经计算，各牵引变电所注入功率如表1所示。

表1 牵引变电所功率及基波电流

6脉波整流谐波电流及注入电网电流如表2。

表2 6脉波整流各次谐波电流及注入电网电流统计 A

12脉波整流谐波电流及注入电网电流如表3。

18脉波整流谐波电流及注入电网电流如表4。

表4 18脉波整流各次谐波电流及注入电网电流统计 A

24脉波整流谐波电流及注入电网电流如表5。

表5 24脉波整流各次谐波电流及注入电网电流统计 A

4 结论

(1)地铁供电系统使用的三相整流变压器一般采用Y/Δ或Δ/Y联接， 这种联接本身可以消除3的整数倍的高次谐波，所以地铁供电系统注入电网中的谐波电流有5、7、11、13、17、19、23、25等奇次谐波。

(2)由计算结果可知，24脉波整流机组注入电网的低次谐波电流明显比6、12、18脉波整流机组小，通过增加整流变压器二次侧的相数，可以有效抑制低次谐波。

(3)根据计算结果，采用24脉波整流方式有效减少了11、13次谐波含量，但是其23、25次谐波含量较大。由于三相整流机组产生谐波次数较高，其注入电网谐波还需结合谐波注入点电网的强度、谐波传输路径、电缆特性、供电网络结构、电气设备参数等因素，进行谐波仿真计算后再分析评估。

[1] Vince Scaini， Bruce M. Urban High Current DC Choppers and Their Operational Benefits. IEEE， 1998 (19)

[2] 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

[3] 吴树强.组合式牵引变压器和配电变压器的探讨[J].铁道勘察，2012(5)

[4] 王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2001

[5] 曹肇非.牵引变电站二次防雷设备现场测试方案的探讨[J].铁道勘察，2012(3)

[6] 郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术，2002(6)

Effectofcitytracktrafficonthesystemharmonicpulserectifier

ZHAO Da-wei WEI Hong-wei

2014-10-30

赵大伟(1982—)，男，工程师。

1672-7479(2014)06-0105-02

TM422

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