电气化铁路谐波分析及抑制措施

郭峰

【摘要】 电网谐波影响电力设备的正常运行，危及电力用户的用电安全。在生产生活中，必须对电网进行谐波治理，消除或者减小谐波对电网的影响，保障电力设备的可靠运行。如今随着电力机车的广泛应用，电力机车产生的谐波分量已经对电网造成很大的影响。本文从电气化铁路的特点出发，对电力谐波的产生原因和抑制措施进行了分析。

【关键词】 电气化铁路 谐波分析 谐波治理

一、概述

铁路运输是国家社会和经济发展的命脉，是国民经济发展的关键因素。电气化铁路具有机组牵引力大、运行速度快、能耗低、污染小、工作环境好等特点，是我国铁路设备发展的重要方向。电气化铁路动力电力网的正常和可靠运行是电力机车安全运行的基本保障。

随着电气化铁路的广泛应用，电力系统的高次谐波分量大量增加，使电力网络的用电质量大大降低。电气化铁路的用电负荷是非线性的，且随着运输强度的变化而波动。因此电气化铁路的谐波分量具有波动性和随时间变化而变化的特点。[1]电力机车采用单相供电，在没有补偿设备的情况下，会向电力系统回馈负序分量；并且由于电力机车采用整流电路进行直流驱动，同时由于负荷的波动，往往导致电网功率因数低、谐波分量大等问题，对机车动力供电网络及其上级电网的电能质量造成严重影响，对电力系统的可靠运行造成威胁。电气化铁路中严重的谐波干扰已经在电网运行过程中造成过较为严重的事故，所以我们必须使电气化铁路的谐波问题得到及时解决。[2]

谐波分量、负序分量、电压波动范围、三相不平衡系数和闪变影响着电气化铁路的电能质量。其中谐波问题已经成为对电网影响最大，同时也是最为棘手的问题。

二、谐波的产生原因

谐波是基波电量的整数倍分量，通常称为高次谐波。电网中的谐波往往由多个频率的高次谐波分量组成。

电力网络的谐波来源主要包括三个方面：一是发电机等电力电源本身产生的谐波；二是电力变压器等输配电设备产生的谐波；三是直流电机或者其他用电设备产生的谐波。电力系统中的谐波源，往往具有非线性的特点。这些设备的非线性可以分成三类：

1.磁场饱和型：主要是各种线圈设备，如电力变压器、电磁铁、变压器和电抗器等。在电力电子设备推广之前，发电机和变压器是电力系统中最主要的谐波发生源。

2.电子开关型：主要是各种可控硅整流设备和晶闸管双向可控开关装置。这种类型的设备广泛存在于在电气化铁路、冶金企业和很多家用电器中。[3]

3.电弧炉：在中频炉和低频炉炼钢的电炉熔炼初期和交流电焊机的焊接过程中，电弧的剧烈变动产生了大量非线性分量，并且由于电弧的不稳定性和波动性，造成电网谐波的构成非常复杂，并且随负载大小和时间的变化而变化。

三、电气化铁路谐波的理论分析和谐波危害

由于电气化铁路负荷的非线性和波动性，其谐波分量与其他用电设备谐波分量相比有其独有的特点。电气化铁路负荷的谐波特点主要有：电气化铁路负荷谐波与常规负荷谐波相比，其谐波的初始相位角分布范围广，在复平面坐标的任意区域内都可能存在；电气化铁路负荷谐波幅值波动异常剧烈，在负载呈周期性变化时，具有周期性的特点；谐波从低压电网直接引入电网。

电气化铁路的谐波往往是由晶闸管整流设备以及非线性运行的用电设备产生的，整流电力机车是电气化铁路电网最主要的谐波发生源，多段相控桥式整流电力机车电路图如下所示：

电气化铁路的谐波分量对电力系统的危害主要有以下几个方面。

1.并联谐振；当谐波分量进入电网以后，由于电网本身的阻容特性，可能会引起某次谐波在线路中的谐振，导致谐波分量被放大，造成电力设备的故障甚至损坏。

2.对电力变压器的危害。谐波分量流经变压器，会引起额外的铁损和铜损，导致变压器温升加大，容量降低，从而影响变压器的工作效率。在造成附加损耗增加的同时，谐波分量还会造成变压器机械振动加大、噪声增加和电压过高，导致变压器局部温度过高。谐波还会使电容器和电力电缆等电力设备过载过热，使绝缘加速老化、降低使用寿命甚至直接造成设备的损坏。

3.对控制系统造成干扰。控制系统往往通过轨道电路依靠机车和路面传感器采集信号，对系统进行控制。由于轨道同时也是机车的电源供电回路，因此机车本身的谐波和变压器谐波都可能对控制信号和采集信号造成干扰，导致设备误动作，危及系统运行的可靠性和安全性。

4.對电力系统运行设备的危害。谐波造成电力线路、发电机、变压器、电动机等电力设备的损耗增加、温升加大，使其使用寿命降低，甚至直接损坏。[5]

四、电气化铁路的谐波抑制措施

电气化铁路电力系统谐波抑制主要有如下四个方面：

4.1受端抑制

即从电力系统的用电设备本身入手，提高用电设备的谐波抑制能力。

4.2主动抑制

从谐波发生设备本身入手，避免或者降低设备谐波分量的产生。具体措施有：研发新型整流设备，保证其谐波分量为零且运行功率因数为1。这种整流设备被称为单位功率因数整流器。即通过调整脉宽校正功率因数的整流电路，在开关电源等中小功率整流设备中已经得到推广；另外，多脉冲整流电路在电解电源等大功率整流设备中已经得到广泛使用。

4.3被动抑制

在电力系统中加装滤波设备，防止谐波分量进入电网，或者阻止谐波分量进入用电设备。即通过加装无源电力滤波设备、有源电力滤波设备或者混合型电力滤波设备进行谐波治理。依靠滤波设备对谐波分量进行抑制吸收，降低或者消除谐波污染。

4.3.1静态无源电力滤波设备

静态无源滤波设备一般在交流侧安装，根据谐波容量由电抗、电容和电阻构成谐波抑制回路，使谐波在回路发生串联谐振，阻止该次谐波进入电网。静态无源滤波设备的投资小、设备简单且维护方便，主要应用于谐波和无功功率变化规律的场所。由于设备阻抗固定，难以适应系统参数变化，有可能造成谐波分量的放大，对设备的运行造成不利影响。

4.3.2有源电力滤波设备

有源电力滤波设备是通过处理器控制，对系统谐波和无功进行实时适量补偿的新型滤波补偿设备，这种设备可以通过传感器对实时检测系统的谐波分量和功率因数，通过高速处理器对信息进行快速分析处理，控制设备的导通角度，从而实现对系统进行实时、精确滤波补偿。有缘滤波设备的响应快，适应范围广，滤波补偿精度高，但其投资大，由于长期导通电过补偿，造成其能耗较大，同时其设备构成也比较复杂，使维护难度加大。但是由于其对电力谐波治理和无功补偿的显著效果，其终将成为电力系统谐波治理和无功补偿的主要发展方向。

4.3.3混合型电力滤波设备

混合型电力滤波设备结合了静态无源滤波设备和有源滤波设备的优点，根据系统实际运行情况，对两种设备进行了合理的整合使用。即部分容量采用无源滤波补偿的方式，另外依靠有源滤波设备对欠补偿容量进行补充。一方面，部分容量采用静态滤波无功补偿，使设备整体投资对比有源滤波大大降低，同时剩余容量采用动态滤波，使补偿设备应变能力相对静态滤波补偿设备大大增加。从而使两种滤波方式的优点得到集中。由于其高超的性价比，此种方式越来越受到人们的关注。

4.4优化供电环境

保证供电系统三相电压尽可能平衡同时选择最适宜的系统电压，可以使谐波对电网的危害有效的降低。增加供电电源容量，可以使谐波分量对电网的影响大大减小。对谐波发生源采用专线供电，使其与其他用电设备分离，避免其对其他设备的干扰，同时也有利于谐波的集中治理。

五、结论

由于电网谐波危害的严重性，谐波已经成为人们关注的焦点性问题。随着电气化铁路的大力推广，电气化铁路经成为谐波的重要发生源之一，而且有着与电网常规谐波分量不一样的特性。

要准确了解电气化铁路谐波对电网的影响必须对电气化铁路谐波进行深入的分析和研究。针对系统各部分谐波的特点，科学选择谐波治理措施，消除谐波，降低谐波对系统的影响，避免谐波造成的事故的发生，保障铁路系统的可靠运行。

参 考 文 献

[1] 张力强，罗文杰，吕利军.电气化铁路牵引负荷的不利影響及治理方案[J].电网技术，2006，30（增）：196-198

[2] 李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报.2010，32（4）：119-124

[3] 杜习周，陈栋新，余晓鹏等.电气化铁路负荷对电网电能质量的影响[J].华中电力.2010，23（6）：35-41

[4] 于坤山，周胜军，王同勋等.电气化铁路供电与电能质量[M].北京：中国电力出版社，2010.

[5] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统（第二版）[M].西南交通大学出版社，2007.