地鐵供電系統(tǒng)的諧波與無功綜合治理

摘 要：地鐵直流供電系統(tǒng)大量投入使用整流機(jī)組、變頻設(shè)備、電纜線路以及配備的非線性電力電子裝置，使得地鐵供電系統(tǒng)諧波含量豐富、容性電流大、無功倒送、等一系列諧波和無功問題。采取諧波和無功綜合治理的措施可以保證地鐵供電質(zhì)量，確保地鐵的安全運(yùn)行。綜合治理遵循抑制諧波為主，無功補(bǔ)償為輔的原則。

關(guān)鍵詞：地鐵供電；諧波；無功；治理

一、地鐵的供電系統(tǒng)

地鐵供電系統(tǒng)的作用是向地鐵列車和用電設(shè)備提供電能，是地鐵的重要組成部分和動力來源。地鐵的供電系統(tǒng)可以分為外部供電系統(tǒng)和內(nèi)部供電系統(tǒng)。外部供電系統(tǒng)即地鐵的一次高壓電源系統(tǒng)，通過主變電所連接城市電網(wǎng)，可采用集中式、分散式和混合式三種方式供電。[1]地鐵的內(nèi)部供電系統(tǒng)則包含牽引供電系統(tǒng)和動力照明系統(tǒng)。其中，牽引供電系統(tǒng)是地鐵供電系統(tǒng)的核心，由牽引變電所和接觸網(wǎng)組成，用于牽引地鐵機(jī)車；動力照明系統(tǒng)負(fù)責(zé)給區(qū)間、車站內(nèi)的各類照明設(shè)施和動力設(shè)備、通信設(shè)備及自動化設(shè)備提供電能。地鐵供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)前，國內(nèi)城市地鐵大多采用110/35kV的兩級電壓集中供電方式。這種供電方式主要由外部電源、主變電所、中壓環(huán)網(wǎng)、牽引變電所和降壓變電所構(gòu)成。每個主變電所從城市電網(wǎng)引入2路110kV電源互為備用，降壓至地鐵所需的35kV中壓系統(tǒng)，然后通過中壓環(huán)網(wǎng)向牽引變電所和降壓變電所供電。中壓環(huán)網(wǎng)采用分區(qū)供電，幾個相鄰的牽引變電所通過串接的方式構(gòu)成一個供電分區(qū)。主變電所向每個供電分區(qū)的一個變電所供電，分區(qū)的其他變電所則通過串接的方式獲得電源。各個牽引變電所之間通過交流電纜連接，這樣就構(gòu)成了地鐵的集中供電系統(tǒng)，如圖2所示。

二、地鐵供電系統(tǒng)的諧波

地鐵供電系統(tǒng)的諧波主要來源于兩方面：一是牽引變電所內(nèi)的整流機(jī)組，二是含有變頻設(shè)備的動力照明負(fù)荷。

牽引變電所是地鐵供電系統(tǒng)的核心部分。在牽引變電所內(nèi)，35kV的三相高壓交流電經(jīng)降壓、整流之后輸出1500V或750V的低壓直流電，向牽引機(jī)車供電。整流機(jī)組是牽引變電所的關(guān)鍵設(shè)備，一般采用多脈沖整流電路來實(shí)現(xiàn)。目前，三相橋式整流電路構(gòu)成的12脈波整流電路和等效24脈波整流電路被廣泛使用。在運(yùn)行過程中，整流機(jī)組會產(chǎn)生11、13、23、25次諧波。整流機(jī)組是地鐵供電系統(tǒng)最主要的諧波源。

地鐵的動力照明負(fù)荷主要包括照明熒光燈、空調(diào)、自動扶梯、風(fēng)機(jī)、水泵、消防設(shè)備等，這些設(shè)備大多屬于非線性設(shè)備，必然會對電網(wǎng)造成諧波影響。動力照明負(fù)荷主要產(chǎn)生5、7次諧波。[2]

高次諧波電流通過變壓器時，變壓器鐵芯損耗明顯增大出現(xiàn)過熱，導(dǎo)致變壓器的效率降低，壽命縮短；諧波電壓加至電容器兩端時，由于電容對高次諧波呈現(xiàn)零阻抗，使得電容器過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞；諧波在供電系統(tǒng)內(nèi)流竄、疊加甚至放大的過程中，會使得電纜的情況下內(nèi)耗、發(fā)熱大幅增加而嚴(yán)重縮短其使用年限；高次諧波的干擾還會導(dǎo)致空氣開關(guān)的誤動作，引起大面積停電，影響地鐵設(shè)備的正常工作和運(yùn)營。諧波污染不僅會對地鐵造成一定的影響，還會影響其他企業(yè)和居民的用電質(zhì)量。

三、地鐵供電系統(tǒng)的無功功率

地鐵供電系統(tǒng)的無功功率主要來源于機(jī)車牽引負(fù)荷、變壓器、電纜線路和動力照明負(fù)荷。由于機(jī)車采用直流供電，牽引負(fù)荷的功率因數(shù)較高，一般能達(dá)到0.95以上；動力負(fù)荷的功率因數(shù)最低，一般為0.75左右；照明負(fù)荷的功率因數(shù)0.8左右。因?yàn)閯恿φ彰髫?fù)荷的負(fù)載持續(xù)率各不相同，比較難以控制和補(bǔ)償。

機(jī)車牽引供電系統(tǒng)中的電機(jī)、變壓器和較長供電線路在運(yùn)行中需要消耗無功功率，產(chǎn)生大量的感性無功損耗。由于地鐵系統(tǒng)的特殊性，大量使用的高低壓電纜則會向電網(wǎng)提供容性無功功率。

由于地鐵運(yùn)行的特點(diǎn)，白天的用電負(fù)荷比夜間停運(yùn)的用電負(fù)荷大得多。白天牽引機(jī)車和一些輔助用電設(shè)備（如照明、風(fēng)機(jī)、水泵等）會消耗一部分電纜的無功功率，在沒有無功補(bǔ)償?shù)那闆r下總體功率因數(shù)較高。夜間地鐵停運(yùn)，風(fēng)機(jī)照明等設(shè)備停止工作，只有變壓器消耗少量無功，感性負(fù)荷輸出減少，電纜的充電無功效應(yīng)明顯，會出現(xiàn)無功倒送現(xiàn)象，導(dǎo)致夜間功率因數(shù)大大下降，只有0.4左右。這不僅造成大量電能的浪費(fèi)，而且容性無功功率還會使得供電端電壓升高，對電纜和供電設(shè)備產(chǎn)生危害。

四、地鐵供電系統(tǒng)諧波和無功的綜合治理

鑒于地鐵供電系統(tǒng)的諧波更具危害性，綜合治理應(yīng)遵循以抑制諧波為主，無功補(bǔ)償為輔的原則。

目前我國地鐵供電系統(tǒng)的諧波無功治理主要采用在車站降壓變電所0.4kV側(cè)設(shè)置固定式無功補(bǔ)償裝置，即無源濾波器。無源濾波器通過對電感、電阻和電容的組合設(shè)計構(gòu)成LC濾波電路，可以濾除系統(tǒng)中特定的高次諧波，同時它在與無功負(fù)載并聯(lián)使用的過程中還起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。[3]

對于地鐵供電系統(tǒng)，白天和夜晚的用電負(fù)荷差別較大。系統(tǒng)的無功功率變化時，無源濾波器無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償，并且一種參數(shù)只能補(bǔ)償特定次數(shù)的諧波，當(dāng)電力系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化時甚至有可能引發(fā)諧振，對于控制供電系統(tǒng)的總功率因數(shù)效果也不大。在實(shí)際運(yùn)行中，僅用無源濾波器無法滿足國家規(guī)范的要求。近年來，有源濾波技術(shù)開始規(guī)?；瘧?yīng)用。

有源濾波器是一種兼有動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，主要由諧波信號的檢測和補(bǔ)償兩部分組成，通過對電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行采樣分析，可控制功率逆變器產(chǎn)生與之成分相等、方向相反的諧波電流注入電網(wǎng)從而對它能夠?qū)︻l率和幅值都發(fā)生變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，具有更好的補(bǔ)償特性。有源濾波器可以并聯(lián)在變電所0.4kV側(cè)母線處，實(shí)現(xiàn)諧波與無功的綜合治理作用。

今后，隨著技術(shù)的發(fā)展，在諧波源處設(shè)置諧波與無功的綜合治理設(shè)備，可使得治理措施更具目標(biāo)性和針對性，保證地鐵電網(wǎng)的可靠性，確保地鐵的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鴻.地鐵供電系統(tǒng)可靠性分析[J].技術(shù)與市場，2012，19（07）：57-58.

[2]孫才勤.地鐵供電系統(tǒng)諧波無功功率的綜合治理方案[J].電氣化鐵道，2009（05）：40-43.

[3]李建民.城市軌道交通供電系統(tǒng)概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：185-214.

作者簡介：王睿（1973-），女，漢族，河南鹿邑人，本科，講師，研究方向：鐵道供電。