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摘 要：随着国内外项目的广泛开展、非线性负载在电力系统的广泛应用，电能质量问题越来越受到关注。谐波与无功补偿密切相关，并联电容器组会引起谐波电流放大以及谐波谐振，使其自身因谐波过流而发生损坏，同时对电力系统产生恶劣影响。深入研究无功补偿和谐波抑制技术可避免设备损坏、产品报废、试验失败、数据丢失等事故的发生，优化电能质量。地铁供电系统谐波源多样，产生的谐波种类也比较复杂为此本文针提出谐波抑制和无功补偿的解决方案。
关键词：地铁供电系统；谐波抑制；无功补偿
一、做到地铁供电系统谐波抑制与无功补偿的重要意义
地铁各类用电设备均为运营服务，如何消除谐波电流和无功功率对电网造成的影响，为地铁供电系统中电气设备的使用创造一个既安全又经济的环境是十分重要的问题。为提高供电系统电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，谐波及无功功率不仅造成建设投资浪费和运营成本增大，危及电网本身及其接入设备，严重时还可能影响地铁行车安全。随着地铁建设的开展和运营经验的积累，地铁供电系统的电能质量问题成为业界普遍关注的焦点。
二、谐波的危害及无功功率的影响
1.对电力电容器的影响：随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
2.对继电保护和自动装置的影响：谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重。这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，则会引起负序电流保护误动、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动，以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。
3.对旋转机变压器的影响：谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流产生的谐波转矩对电机会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热，使变压器附加损耗增加。
4.使测量、计量仪器的指示和计量不准确：由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。
5.干扰通信系统的工作：电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，会干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。
6.对电网的污染：谐波电流及谐波电压的出现，对电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。谐波电流会在电网阻抗上产生同频率的谐波电压并叠加在电网正弦电压上，使电网电压发生畸变。畸变后的正弦电压施加在所有电器设备端，会对这些设备正常工作带来危害。因为电气设备均按弦电压设计制造，当电压有畸变时，将会使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。
三、供电系统谐波及无功治理措施
1.采用高脉波数的整流机组且三相整流变压器采用Y/△（或△/Y）接线。采用Y/△或△/Y联接可以消除3的整数倍高次谐波，这样电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。又因整流机组产生的高次谐波次数与整流机组输出脉波数有关，理想情况下，反映到整流机组高压侧产生的谐波电流次数n=K×P±1（式中P为整流机组脉波数，K为正整数）。即高次谐波的次数是整流机组脉波数的整倍数，这样整流机组脉波数越高，产生较低次谐波越少，对电力系统影响也越小。
2.选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，控制功率逆变器产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网，可对频率和大小都在变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，从而集中实现谐波抑制并动态补偿无功功率。
3.采用无源滤波装置。利用电容器、电抗器和电阻器等无源元件适当组合而构成的滤波装置，对某一频率的谐波呈低阻抗通路，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，以达到抑制高次谐波的作用。无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，现阶段广泛用于配电网中；但由于其滤波特性受供电系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象。
4.采用有源滤波装置。有源滤波装置利用可控的功率半导体器件向供电系统注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：①具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点；②滤波特性不受供电系统阻抗等影响，可消除与供电系统阻抗发生谐振的危险；③不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理。
結束语：针对地铁供电系统中非线性负荷情况及运行特点，在降压变电所0.4kV侧集中采用带有谐波治理和无功补偿功能的有源电力滤波器既能够滤除来自供电系统低压负荷侧的谐波，又能避免对来自牵引负荷侧的谐波放大，可有效提升地铁供电系统的电能质量和设备运行效率。随着谐波治理设备技术越发成熟，在实际应用中，还可以根据地铁低压配电系统谐波源的设备种类及分布情况，通过在谐波源处设置谐波补偿装置來进行局部谐波治理，从谐波产生源头更有针对性地治理谐波和补偿无功，保障地铁电网的电能质量，确保运营环境的安全可靠。
参考文献：
[1]谭复兴，高伟君，等.城市轨道交通系统概论[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[2]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用成都[M].成都：西南交通大学出版社，2008.
[3]鲁楠，地铁主变电所功率因数偏低情况及改善措施研究[J].城市建设，2010，6.
[4]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.
[5]郑瞳芷，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[6]周国强，王福荣，董文俊.地铁牵引变电所整流机组谐波谐振的抑制[J].电器开关，2008（6）：60.
关键词：地铁供电系统；谐波抑制；无功补偿
一、做到地铁供电系统谐波抑制与无功补偿的重要意义
地铁各类用电设备均为运营服务，如何消除谐波电流和无功功率对电网造成的影响，为地铁供电系统中电气设备的使用创造一个既安全又经济的环境是十分重要的问题。为提高供电系统电能质量，综合解决谐波、无功功率问题，谐波及无功功率不仅造成建设投资浪费和运营成本增大，危及电网本身及其接入设备，严重时还可能影响地铁行车安全。随着地铁建设的开展和运营经验的积累，地铁供电系统的电能质量问题成为业界普遍关注的焦点。
二、谐波的危害及无功功率的影响
1.对电力电容器的影响：随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
2.对继电保护和自动装置的影响：谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重。这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，则会引起负序电流保护误动、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动，以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。
3.对旋转机变压器的影响：谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流产生的谐波转矩对电机会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热，使变压器附加损耗增加。
4.使测量、计量仪器的指示和计量不准确：由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。
5.干扰通信系统的工作：电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，会干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。
6.对电网的污染：谐波电流及谐波电压的出现，对电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。谐波电流会在电网阻抗上产生同频率的谐波电压并叠加在电网正弦电压上，使电网电压发生畸变。畸变后的正弦电压施加在所有电器设备端，会对这些设备正常工作带来危害。因为电气设备均按弦电压设计制造，当电压有畸变时，将会使设备发热，力矩不稳，甚至损坏。
三、供电系统谐波及无功治理措施
1.采用高脉波数的整流机组且三相整流变压器采用Y/△（或△/Y）接线。采用Y/△或△/Y联接可以消除3的整数倍高次谐波，这样电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。又因整流机组产生的高次谐波次数与整流机组输出脉波数有关，理想情况下，反映到整流机组高压侧产生的谐波电流次数n=K×P±1（式中P为整流机组脉波数，K为正整数）。即高次谐波的次数是整流机组脉波数的整倍数，这样整流机组脉波数越高，产生较低次谐波越少，对电力系统影响也越小。
2.选用带有谐波治理和无功补偿综合治理功能的有源滤波装置。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的智能化电力电子设备。通过对电网中非线性负载产生的谐波进行采样、分析，控制功率逆变器产生与电网中谐波成分大小相等、方向相反的谐波电流，注入电网，可对频率和大小都在变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，从而集中实现谐波抑制并动态补偿无功功率。
3.采用无源滤波装置。利用电容器、电抗器和电阻器等无源元件适当组合而构成的滤波装置，对某一频率的谐波呈低阻抗通路，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器，以达到抑制高次谐波的作用。无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，现阶段广泛用于配电网中；但由于其滤波特性受供电系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象。
4.采用有源滤波装置。有源滤波装置利用可控的功率半导体器件向供电系统注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点：①具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点；②滤波特性不受供电系统阻抗等影响，可消除与供电系统阻抗发生谐振的危险；③不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理。
結束语：针对地铁供电系统中非线性负荷情况及运行特点，在降压变电所0.4kV侧集中采用带有谐波治理和无功补偿功能的有源电力滤波器既能够滤除来自供电系统低压负荷侧的谐波，又能避免对来自牵引负荷侧的谐波放大，可有效提升地铁供电系统的电能质量和设备运行效率。随着谐波治理设备技术越发成熟，在实际应用中，还可以根据地铁低压配电系统谐波源的设备种类及分布情况，通过在谐波源处设置谐波补偿装置來进行局部谐波治理，从谐波产生源头更有针对性地治理谐波和补偿无功，保障地铁电网的电能质量，确保运营环境的安全可靠。
参考文献：
[1]谭复兴，高伟君，等.城市轨道交通系统概论[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[2]于松伟，杨兴山，韩连祥，张巍，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用成都[M].成都：西南交通大学出版社，2008.
[3]鲁楠，地铁主变电所功率因数偏低情况及改善措施研究[J].城市建设，2010，6.
[4]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2005.
[5]郑瞳芷，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[6]周国强，王福荣，董文俊.地铁牵引变电所整流机组谐波谐振的抑制[J].电器开关，2008（6）：60.