摘 要：当前，城市交通拥堵问题已经成为社会广泛关注的重点问题，为缓解城市交通出行矛盾，我国地铁轨道工程建设逐步完善，地铁已成为现代城市交通系统的重要部分，显著提高了交通服务水平。但与此同时，在地铁运营期间，低压配电系统中产生了大量谐波，影响电能的稳定传输利用，严重时会导致设备故障损坏，造成巨大损失。因此，为保证地铁低压配电系统运行安全可靠，避免造成不必要的电能损耗，文章对地铁低压配电系统谐波问题进行分析，并提出谐波治理方案，以供相关工作人员参考。
关键词：地铁;低压配电系统;谐波;治理方案
1 地铁低压配电系统中谐波分布情况
1.1 节能灯及荧光灯
当前地铁轨道工程中，为提高照明系统节能属性，控制工程造价成本，贯彻落实节能环保目标，普遍选择配置荧光灯或节能灯。但是，这类照明灯具存在驱动电源，以恒压与恒流开关电源为主。在灯具运行期间，将会持续产生谐波，易造成谐波污染。
1.2 弱电系统 UPS 电源
在地铁轨道工程中，弱电系统主要包括车站与车辆段等区域的通信信号、监控系统、乘客信息系统、自动售检票系统与门禁系统等，这类弱电系统主要由计算机程序、自动化设备及网络设备组成，均为一级负荷，需要配置备用电源 UPS 以保证系统持续运行，做到不间断供电。
1.3 变电所直流屏及消防应急电源
在地铁低压配电系统中，消防应急电源以及变电所直流屏均设置整流设备，存在整流过程。因此，在系统使用过程中产生大量的谐波电流，且这类电流普遍为三相交流输入，以 6k±1 次谐波为主。
1.4 软启动器
软启动器通过控制反并联晶闸管组导通角，发挥装置控制调节输出电压值的作用，其具有任意调节输出电压的优势，是电流闭环控制模式中的关键设备。但是，软启动器的装置特性与 UPS 类型设备较为相似，使用时主要产生 5 ～ 7 次谐波电流，容易造成谐波污染。
2 谐波对地铁低压配电系统造成的影响
2.1 对输变电设备造成的影响
地铁低压配电系统在受到谐波影响时，会缩短配电线路及设备的实际使用寿命，偶尔出现继电保护装置误动以及拒动问题，并使电能表计量精度下滑。在出现谐波污染时，还有可能引发电气安全事故。谐波对输变电设备造成的具体影响如下。
(1)供配电线路。当电缆处于配电状态时，线路中所产生的谐波电压将以幅值电压形式增加介质电场磁度，导致局部放电问题以及线路快速升温，长此以往，就会影响电缆的使用，缩短其使用寿命，且放电、漏电等电气安全事故的出现概率有所提高。与此同时，电缆额定电压等级与谐波所造成的危害程度呈正比关系。此外，当导体表面流经谐波电流时，将出现临近效应以及集肤效应，从而导致线路及设备出现附加发热状况，加速线路老化，还会伴随局部放电，且介质损耗显著增加。
(2)继电保护装置。在输变电系统受到谐波污染时，所配置继电保护装置的运行状态将受到一定程度的影响，可能会出现拒动与误动问题，导致装置动作特性畸变。针对这一问题，在多数地铁轨道工程中，虽然综合采取了多项谐波抑制措施，如配置滤波器与采取谐波注入措施等，但随着非线性设备配置数量及额定容量的增加，难以取预期谐波抑制效果，谐波污染问题尚未得到有效解决。
(3)变压器。如若配置有普通型号变压器，则需要重点解决 3 次及其倍数次零序谐波污染问题，将谐波含量控制在一定程度，如果谐波含量超过相应标准，将会形成换流，进而出现绕组过热与变压器输出端畸变现象。在配置供给不对称负荷变压器时，工作人员应额外考虑负荷电流是否含有直流分量的问题，若含有直流分量，将起到改变变压器磁路饱和度的作用，进而提高交流励磁电流谐波分量，导致产生额外的输电线路热损耗，加速了线路的老化程度，还降低了其使用质量，增加维护及更换成本。根据相关试验结果得知，相同电缆敷设情况下，如果通过的是高次谐波非正弦电流，电缆使用寿命仅为 15 年，若通过一般工频电流，可以将电缆使用寿命增加至 25 年。
2.2 对通信系统造成的影响
在地铁通信系统运行期间，当受到谐波污染影响时，将会对通话质量造成影响，产生杂音，影响通话质量，甚至还会导致信号丢失。同时，在同时受到基波以及谐波影响时，将会引起电话铃响，进而影响通信系统的正常使用，有可能出现设备损坏与安全事故。
2.3 对地铁运行安全造成的影响
从地铁低压配电系统实际运行情况来看，由于配置了大量的非线性设备，在系统运行期间，会持续产生谐波。虽然谐波源由软启动器、节能灯、消防应急电源与变电所直流屏等组成，具有分散性特征，单个谐波源并不会对系统及设备运行状态造成明显影响，但是随着谐波在 400V 母线中的汇集，会影响配电系统的稳定运行，进而给地铁运行带来安全隐患。例如，在某项目低压配电系统中，分布着节能灯、弱电系统应急电源、消防应急电源等谐波源，且含有大量 3 次谐波与 9 次谐波，两种谐波在低压配电系统中产生积聚效应，3 次与 9 次谐波在中线上保持为线性叠加状态，从而出现电缆过载与绝缘老化现象，且高次谐波对系统所连接仪器设备的运行质量造成影响。最终，该项目配电室区域出现电气火灾安全事故，最终造成 38 人死亡与严重经济损失。
3 地铁谐波治理方案
3.1 谐波治理设备
(1)有源电力滤波器。在地铁低压配电系统中所配置的有源电力滤波器起到控制谐波电流幅值、频率以及相位的作用，并通过检测负载谐波以及输出电流的方式，抵消一部分谐波源负载形成的谐波电流，从而减小谐波对低压配电系统造成的危害，可将其视为一台谐波发生器。同时，有源电力滤波器可分为串联型与并联型两种。其中，串联型滤波器负责处理谐波电压问题;并联型滤波器负责检测负载电流与计算谐波电流，并持续输出相同大小与反方向的电流，从而抵消负载谐波电流。与无源滤波器相比，有源滤波器具有响应速度快、补偿能力稳定、补偿方式灵活、不易出现谐振现象的优势。
(2)无源滤波器。无源滤波器是通过电感、电阻以及电容组合构成的滤波电路，在地铁低压配电系统中，发挥着滤除单次与多次谐波的作用，并向负载谐波电流提供稳定阻抗通道，使其与电网阻抗保持分流关系，将多数谐波流入滤波器，以此降低谐波对系统造成的危害。与有源电力滤波器相比，无源滤波器具有结构简单、采购价格低廉与运行稳定的优势，但是，无源滤波器运行状态受到系统阻抗影响，谐波实际治理情况与预期不符，难以彻底解决系统谐波污染，平均谐波滤除率仅为 70%。同时，在地铁低压配电系统运行期间，偶尔会出现谐振现象。
3.2 谐波治理方式
现阶段，低压配电系统常见的谐波治理方法包括就地补偿、集中补偿以及支路补偿三种，结合地铁轨道工程特征来看，就地补偿以及集中补偿方式较为适用。其中，就地补偿是在谐波源交流进线部位设置滤波器，遵循就近补偿原则，持续对周边设备线路提供谐波补偿，以此消除谐波危害。集中补偿是在地铁低压配电系统以及电网连接部位中设置谐波补偿装置，如在用户变压器低压侧部位设置补偿装置，确保装置紧邻变压器。相比而言，集中补偿方式难以彻底解决谐波问题，虽然可以降低电网谐波污染与电气火灾事故的出现概率，但谐波源仍旧会对测控与通信等重要负载造成威胁。就地补偿方式的治理效果较佳，但会提高地铁低压配电系统谐波治理成本，且治理方案设计难度较大，工作人员应结合项目情况合理选择谐波治理方式。
此外，工作人员需要正确认识地铁车站低压配电系统谐波治理问题的特殊性，将谐波治理工作侧重于以下方面：第一，最大程度上减小或彻底消除谐波污染对通信信号等影响地铁列车行车安全的用电负荷的影响;第二，减小地铁低压配电系统对所接入电网造成的谐波污染;第三，重点预防中性线过载与电气火灾事故出现。例如，在某地铁低压配电系统谐波治理方案中，对重要且复杂的通信信号进行分类并进行集中处理，在低压母排末端集中设置谐波源，在变压器侧端设置需保护负荷，并在被保护负荷以及谐波源负荷间隔区域设置滤波器装置。
3.3 有源滤波装置容量的选择
现阶段，在多数地铁轨道工程中，往往选择配置有源滤波器，其具有使用可靠、维护简单、补偿速度快与自动化程度高等优势。但是，在有源滤波装置容量选择不当时，会影响治理效果。因此，在制订谐波治理方案时，工作人员应结合项目情况与已知信息，掌握各负载谐波电流有效值与谐波电流总有效值，以其为计算依据，准确计算有源电力滤波器的最佳容量。例如，在谐波电流总有效值为 103A 时，配置 120A 等级的有源滤波装置即可。
4 结束语
综上所述，为保障地铁低压配电系统的安全稳定运行，切实满足现代地铁轨道工程的用电质量可靠性要求，预防设备故障与电气火灾事故，工作人员必须了解谐波源分布情况，重点分析和研究谐波对低压配电系统造成的具体影响，进而采取针对性的治理措施，保证谐波治理方案切实可行。——论文作者：赵国荣
参考文献：
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