高速铁路牵引系统谐波及其对地区电网的影响

摘要：高速铁路牵引供电系统易产生复杂多变的谐波,从而引起负序无功现象。谐波危害不仅严重影响了铁路系统的正常运营,同时破坏了地方电力系统的正常供电。介绍了谐波的概念以及谐波的标准，分析谐波被注入对地区电网后对电网及相关运行设备的影响，包括：产生了附加的谐波损耗、影响电气设备正常工作、引发串联谐振和并联谐振、导致二次装置误动等。

关键词：电气化铁路;谐波;影响;

“谐波”是指实际电压、电流变化规律与理想电压、电流变化规律之前的差异。在1993年的时候我国颁发了GB/T 14549-1993《电能质量公用电力系统谐波》。根据GB/T 14549-1993的相关内容可知，用户向公共连接点注入的总畸变率、各次谐波电压含有率以及谐波电流允许值都是有着严格规定的。然而，随着国内多条电气化铁路系统的建成及长期实践运营，电气化铁路动车组列车行车过程中列车上的各种电子元件所产生的谐波逐渐引起关注，由于动车组列车行驶情况复杂，无论是加速还是再生制动都不可预见，列车运行工况无法提前设定，其负荷情况有冲击性、波动性大的特点，以及目前大量使用的动车组列车采用的是交-直或者交-直-交方式的传动系统，会产生功率因数及谐波含量的问题。

在2019年，某地区电力系统对其中一条220 k V电气化铁路牵引线以及另一条220 k V非牵引线两处进行了电能质量测试。测试方法使用电能质量分析仪对两条线路的电流及电压数据进行24 h的取样并分析，谐波数据是谐波电压含有率及谐波电流值的95%统计值，在采样的24 h内所有采样数据中不大于95%的数据，表1、表2分别是采样点电压谐波95%含有率及测试点谐波电流95%统计值。

由于高铁牵引站变压器采用的是单相接线，只从电力系统中取A、B两相，所以表1、表2中牵引线的电能质量数据只有A、B两相。从表2数据分析可得，220 k V牵引线在对电气化铁路供电时的线路谐波电压符合要求，但是牵引线上的3次的谐波电流95%统计值已超过GB/T 14549—1993《电能质量公用电力系统谐波》上对3次谐波的要求，5次、7次谐波电流95%统计值也接近各自的谐波电流限值。而比较非电气化铁路供电线路的非牵引线谐波电流95%统计值可以发现非牵引线上测得的谐波分量相当小，几乎可忽略。由此可判断动车组列车在行驶过程中产生的谐波通过高铁牵引站注入地区电网，并且部分次数的谐波分量已经接近或超过要求，而随着电气化铁路持续、迅猛发展，电气化铁路段以及动车组的班次数量都在不断增长，这势必导致牵引供电系统对地区电网产生的影响在一段时间内呈现不断增加的趋势。

2 谐波对地区电网的影响

在理想状况下，供电系统电网输出的电压，其频率保持恒定，幅值和规定是一致的。从供电系统电网的角度来看，谐波电流、电压会造成污染，导致设备的用电环境变差，附近的通信系统和公用电网外的设备也会受到影响。但随着电气化铁路的迅猛发展，新铁路段的建成以及更加密集的动车组班次会使电气化铁路牵引系统的谐波分量不断增加，高铁牵引站注入地区电网的谐波分量会对电网以及相关设备造成严重的影响，严重危害到地区电网的稳定运行以及设备的耐用性，甚至导致各种故障和事故[1]。

2.1 谐波引起的谐振和谐波电流放大

一般情况下，变电站中会以并联的方式，为负载配备电容器、电抗器，从而起到补偿无功功率的效果，实现更高的功率因数。要维持系统电压的稳定，一般需要在变电所部署并联电容器。另外，要有效地剔除谐波成分，还需用到内部集成了电容元件、电抗元件的滤波器。工频时，电容元件的容抗远超过系统的感抗，因此不会出现谐振。但出现谐波时，系统感抗大幅提高，容抗却下降，对系统造成严重的危害，尤其是电容器和电抗器，两者很有可能因此而烧毁。

2.2 谐波对电网的影响

如果电网中存在谐波电流成分，线路的有功功率损耗提高，电网线损因此而变大。通常情况下，谐波电流的比例低于基波电流，但是在高谐波频率下，由于趋肤效应存在，谐波电阻的增长比基波电阻更快，这就会导致线损的提高。

在电缆中，谐波除了会带来多余的损耗外，也令电压的波形形成尖峰，电缆绝缘性能降低，导致浸渍绝缘的局部放电，介质损耗提高，温度进一步升高，电缆的耐用性降低。一般来说，电缆受到的谐波危害程度，和其额定电压之间为正相关关系。电缆的分布电容会使得谐波电流有增大，其造成的负面影响随之而扩大。

在架空线路上，电压峰值与电晕的形成息息相关，尽管电压基波低于规定值，但因谐波的影响，电压峰值或许会高于规定值，由此出现电晕，导致电晕损耗。

如果经过断路器的电流包含明显的谐波成分，电流过零点位置的di/dt或许会大幅超过正常情况，断路器的开断功能受到影响。在谐波成分较高的情况下，装置内部的磁吹线圈会出现严重的异常，断路器完全失效甚至损坏。

2.3 谐波对旋转电机和变压器的危害

从旋转电机、变压器的角度来看，谐波最大的危害是大致额外的损耗，以及设备温度的升高，另外还会导致机械温声和此油决由压，如此一来，设备的耐用性将会严重降低，甚至直接损坏。

2.4 谐波对继电保护和电力测量的影响

谐波的存在，导致保护继电器性能出现异常，不能正常、准确的动作。各种继电器的原理和设计性能存在差异，所以谐波造成的影响也并不相同。就现实而言，大部分的继电器对谐波都“有一定的免疫能力”，然而有些晶体管型继电器受到的危害非常大，必须引起足够的重视。大部分电力测量仪表在研发时，考虑的是工频正弦波形，在存在谐波的情况下，测量精度将大幅降低。具体误差的大小，主要由仪表的原理、结构所决定。

参考文献

[1] 刘育权，吴国沛，华煌圣，等.高速铁路牵引负荷对电力系统的影响研究[J].电力系统保护与控制，2011,39(18):150-154.