地铁低压配电系统谐波及治理分析

摘要：随着经济的发展和科技的进步，各个领域产生谐波的设备类型及数量剧增。地铁除了牵引负荷（直流电动车辆）外，为保证地铁车站运营的功能性及舒适性，车站内还有很多动力照明设备，其中大量非线性设备的运行必然产生谐波。本文就地铁低压配电系统谐波及治理展开探讨。

关键词：地铁；低压配电系统；谐波；有源滤波装置；无功补偿

引言

地铁作为现代城市交通系统的重要组成部分，其安全性、高效性受到越来越多的公众关注。地铁车站内强电、弱电多个系统并存，高压、低压多种电压等级并存，交流、直流多种供电制式并存。地铁除了牵引负荷（直流电动车辆）外，为保证地铁车站运营的功能性及舒适性，车站内还有很多动力照明设备，其中大量非线性设备的运行必然产生谐波。如何减少谐波对配电系统的污染，减少谐波造成的危害，为地铁车站及其他用户电气设备的使用创造既安全又经济的低压配电系统环境成为一个亟待解决的问题。 1地铁低压供电系统介绍

如图1所示，典型城市轨道交通车站低压配电系统采用单母线分段接线，正常时母联分段，两台变压器并列运行，当一台变压器检修或故障时，切除三级负荷，另一台变压器承担全部一、二级负荷的供电，从而保证城市轨道交通的正常运营。城市轨道交通低压配电系统主要用电负荷包括照明、环控、给排水、通信、信号、屏蔽门、综合监控、AFC、电扶梯等。由于地铁低压配电系统的各级负载中存在大量的非线性负荷，在低压配电系统中会产生谐波电流污染。

图1地铁车站典型低压系统简图 2谐波成因分析

地铁低压系统中的负载主要为照明、通风空调、泵机类、电梯、信号电源、UPS等设备，其中由于逆变器、整流器、开关电源、变频器等设备的大量使用，造成了系统谐波分量占比较大。具体设备分析如下：（1）照明灯具。照明灯具多为荧光灯、LED灯，而且大多数场合均会采用LED类照明设备，以3次谐波为主。（2）变电所直流屏、EPS电源等。城市轨道交通车站内有变电所内的直流屏、应急电源（EPS）等设备，它们均具有整流设备，此类设备基本上为三相交流输入，所以主要产生6k±1次谐波。（3）通信、信号、AFC、综合监控等弱电系统UPS电源。包括通信、信号、综合监控、电力监控PSCADA、环境与设备监控BAS、火灾自动报警FAS、门禁ACS、自动售检票系统AFC、乘客信息系统PIS、屏蔽门等部分，一般由计算机、网络设备及自动化控制设备组成，并配有备用电源（UPS）进行不间断供电。对于UPS负载，以5、7次谐波电流为主。（4）变频器。为达到改善启动冲击和运行节能的目的，部分风机和空调配置了变频器或软启动器。另外，城市轨道交通车站电梯和扶梯数量较多，目前，电梯、扶梯均采用交交变频调速方式。由于变频器的使用，必然会产生6k±1次谐波。（5）软启动器。软启动器本质上是一种能够自动控制的降压启动器，由于其工作原理主要还是对晶闸管的导通角进行控制，因此仍然存在谐波污染的问题，并且其特性类似于UPS类型的设备，以5、7次谐波电流为主。 3地铁谐波治理解决方案分析

地铁谐波治理的方式主要分为谐波集中补偿和就地补偿两种：集中补偿即在在用户用电系统与电网连接点处加装谐波补偿设备，优点在于，大量的谐波源产生谐波电流到达变压器母线后会有相互叠加减小，治理成本低，保护上级电网，但对下级电网无益；就地补偿方式，就是将滤波器安装在谐波源的交流进线处，通过滤波器就近补偿谐波，达到彻底消除谐波危害的目的，补偿效果佳，但补偿成本较高。地铁车站低压配电系统的谐波治理，区别于一般的治理方式，其谐波治理的侧重点应放在三个方面：（1）消除谐波污染对关键的测控、通讯、指挥系统的影响；（2）消除谐波引发中线过载而导致电气火灾发生的可能；（3）降低地铁配电系统对上级电网（包括自用变压器）的污染。由于测控、通讯、指挥系统等关键负载安全性要求高，如在变压器下做集中补偿，虽能避免对上级电网的谐波污染、消除降低电气火灾的发生几率，但无法消除谐波源对这些重要负载的威胁，因此，在地铁站房低压配电系统中应尽量选用就地补偿模式对谐波源所产生的污染进行就地补偿，将谐波危害消除在源头。但就地补偿方式成本较高，且设计是选型复杂、安装时施工量加大。为合理的设计滤波装置的数量及节约设计预算，在地铁站房配电系统中，建议将负载分类与集中补偿方式相结合进行设计。首先，在系统设计时我们需要考虑尽量将所有谐波源负荷与需受到保护的控制系统、通讯系统、指挥系统负载进行分类集中。把主要的谐波源负载集中设计在低压母排的末端，将需保护的负荷设计在靠近变压器侧。将滤波器加装在谐波源负荷与被保护负荷之间，集中消除谐波的危害。（4）适当加大低压电缆及低压柜中母排的中性线截面。车站变电所电容补偿使用带电抗器的补偿系统后，可以使变压器的损耗减少，进而可提高变压器利用率。但车站低压配电系统内为非线性负荷配电的电缆及低压柜母排的中性线中还是有大量谐波电流的。为了防止中性线过热而引发事故，应适当加大中性线截面。例如，给气体放电灯供电的照明回路，在三相负荷分配平衡时，中性线截面与相线截面相同；在三相负荷分配不平衡时，为满足中性线负荷在不过载的情况下运行，中性线截面可能会比相线截面大一级。对于为通信系统、信号系统、自动售检票系统等负荷供电的电缆，其中性线截面宜与相线相等，或是选择大一级的电缆。 4地铁谐波治理案例

某地铁公司出于运行安全性考虑，决定在某车站环控室使用有源电力滤波器进行滤波。现场主要谐波负载为三台变频器，有源电力滤波器安装于变压器下集中补偿。测试位置为低压母排互感器二次侧，电流数据变比30：5，需对实测数据进行调整。归算至实际值的谐波电流、电压、畸变率数据分别如下表： 表1归至实际值的谐波电流值

测试数据显示了地铁环控电控室谐波状况，谐波电流畸变率一般在30%左右。从上述数据对比可以得出，通过谐波治理，畸变严重的非正弦波变为标准的正弦波；电压畸变率从3%降低到1.4%；电流畸变率从34.4%降低到6.1%；谐波电流吸收率达到92.9%，有源电力滤波器在地铁低压配电系统中使用，尤其是对于消除谐波方面的作用是非常明显的。 结语

对于地铁低压系统进行谐波治理主要需从三个方面考虑：（1）消除由于谐波电流造成的安全隐患，尤其是地铁车站，作为公用交通的重点类别，安全永远是第一位，要在各个环节消除可能存在的隐患；（2）通过谐波治理，实现绿色电网、节能降耗；（3）通过谐波治理，间接延长变压器、线路寿命，有效节约费用，同时减少对资源的浪费。 参考文献：

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