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摘要：介绍电气化铁路谐波对电力系统的影响，并就减少电气化铁路谐波的影响提出一些治理措施。同时对有源电力滤波器的优点和发展进行了分析。
关键词：电气化铁路；谐波；电能质量；有源滤波
作者简介：肖文英（1978-），女，湖南衡阳人，湖南工学院电气与信息工程系，讲师；张振飞（1966-），男，湖南衡阳人，湖南工学院电气与信息工程系，高级实验师。（湖南 衡阳 421002）
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）15-0100-02
随着我国近年来电气化铁路（以下简称“电铁”）的迅速发展，电铁牵引负荷在电力负荷中所占的比重也越来越大。并且电铁牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点。电力系统中非线性负荷的大量增加，大大加重了电网谐波污染。电铁牵引负荷的谐波所产生的危害性远比其他谐波源更为严重，更为广泛。因此，电力部门应予以高度重视，尽快采取对应的治理措施。[1]
一、电气化铁路谐波对电力系统的影响
电铁牵引负荷是非线性负荷，非线性负荷在波形、幅值、相位等方面会影响电能质量，主要体现之一就是向电力系统注入大量的高次谐波。大量的谐波注入会对整个电力系统各环节产生不同程度的影响。[2]
1.谐波对电力变压器的影响
谐波会增加变压器的铜耗和铁耗，减少变压器的实际使用容量，另外谐波还会导致变压器噪声增大。
2.谐波对电力避雷器的影响
谐波使变电站大容量、高电压的变压器合闸涌流的过程延长，能够延续数秒或更长的时间，谐波有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器由于放电时间过长而受到破坏。这样会对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数增加很大的难度。
3.谐波对输电线路的影响
谐波会增大输电线路的损耗，缩短电缆的使用寿命，增加事故次数和修理费用。
4.谐波对电力电缆的影响
在电缆输电的情下，谐波会引起局部放电，使介质损耗增加，温度升高，易使电缆损坏。
5.谐波对电力系统其他运行设备的影响
（1）对同步发电机的影响。使同步发电机的附加损耗增大，温升加剧，并且会引起机械振动、产生噪声和出现谐波过电压。
（2）对消弧线圈的影响。当发生单相接地故障，电网谐波成分又较大时，消弧线圈对谐波电流将失去作用，在接地点不能可靠地补偿，从而使系统故障进一步扩大。
（3）对载波通信的影响。电力线路中如果含有较大的谐波电流，谐波电流会通过磁场耦合，在电力线路邻近的通信线路中产生干扰电压，对通信系统的工作产生干扰。
6.谐波对继电保护和自动装置的影响
电力谐波会使继电保护及自动装置动作失去选择性，降低装置的可靠性，甚至引起误动或拒动，这就会造成系统事故，威胁到电力系统的安全运行。近年来，随着微机保护装置的广泛使用，信号中的谐波干扰还可能使测量产生误差。
二、治理电气化铁路谐波的措施
1.改造谐波源的方法
（1）采用三绕组变压器，利用低压侧绕组的接法不同造成相角差（三角形接法和星形接法），使得高压侧的5次、7次谐波电流抵消。
（2）采用脉冲数高的设备（如12脉冲、24脉冲整流电路），使谐波减小。
（3）在机车牵引绕组设置晶闸管投切的3次谐振电容补偿装置，3次谐振电容补偿装置可以降低机车的三次谐波含量，同时产生感性无功电流，提高机车的功率因数。
（4）改造并联补偿电容器组，馈供电铁的变电所内的并联补偿电容器组，在一定条件下会引起谐波增加，因此需将并联补偿电容器组的串联电抗器进行调整。
改造谐波源的方法可以使电力机车产生的谐波减少，但以目前的技术还不能完全消除谐波，而且以前生产的未得到改造的韶山系列交直电力机车还大量运行着，因此改造谐波源的方法在短期内不能有效抑制电铁谐波。
2.采用补偿的方法
采用补偿的方法就是在牵引站集中装设滤波补偿装置，目前常用的补偿装置有以下几种。
（1）无源电力滤波器。无源电力滤波器主要由无源元件R、L和C构成谐振回路，当L、C回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于其具有结构简单、初始投资少、效率高、运行可靠及维护方便等优点，早期被广泛应用于谐波抑制中。但无源滤波器存在许多缺点，如只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用；滤波特性取决于电网系统的短路阻抗，当电网阻抗值大时滤除率高，当电网阻抗值小时滤除率低，谐波滤除率一般只有80％。因此随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
（2）有源电力滤波器。有源电力滤波器可用于动态的补偿谐波、无功及负序电流。它能实时地检测出需要补偿的谐波、无功及负序电流等分量，产生相应的补偿电流与其相抵消，有源电力滤波器可对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，对补偿对象的变化有快速的响应能力。根据有源电力滤波器与系统的连接方式不同，可分为并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器、串—并联型有源电力滤波器以及混合型有源电力滤波器。
（3）混合有源电力滤波器。由于有源电力滤波器使用电力电子器件，成本高，在电力系统中广泛应用还有难度。且有源电力滤波器的成本与其容量成正相关，通过减小有源滤波器的容量可以降低其成本。因此将无源滤波器和有源滤波器结合起来构成混合电力滤波器，在该方案中，无源滤波器将包含多组单调谐滤波器和高通滤波器，起隔离电源基波电压和抑制大部分谐波电流的作用；有源电力滤波器主要是改善整个系统的性能。混合有源电力滤波器与单独使用有源电力滤波器的方式相比，可有效减小有源电力滤波器的容量，进而降低成本，还可弥补单独使用无源滤波器的不足。
三、有源电力滤波器的优点及发展
1.有源电力滤波器的优点
（1）有源电力滤波器的滤波性能与系统阻抗无关。
（2）与系统阻抗之间不会产生串、并联谐振，系统结构的变化不会引起治理效果的变化。
（3）治理谐波原理上比无源滤波器更好，各次谐波能用一台装置就能很好得到抑制。
（4）实现了动态治理，对补偿对象的变化有快速的响应能力。
（5）补偿功能全面，不但可以补偿谐波，而且可以同时对无功功率和负序进行补偿。
（6）电网频率的变化不会影响谐波补偿特性。
2.有源电力滤波器的发展
有源电力滤波器的发展主要有以下几个趋势。[3]
（1）补偿装置的多功能化，性价比的提高。有源电力滤波器须完成闪变抑制、谐波消除和无功补偿等功能，多功能集于一身满足未来电力系统发展的需要，性价比的提高是有源电力滤波器实用化发展的重要方向。
（2）降低装置容量。有源电力滤波器难以被广泛使用的原因就是其成本太高，而有源电力滤波器的价格与其容量有关，降低容量可以降低成本，目前主要的方法就是将有源电力滤波器和无源电力滤波器混合使用，同时，学者正在研究通过注入回路的方式来降低装置容量，进而降低有源电力滤波器的成本。
（3）控制系统的简化。有源电力滤波器要对补偿对象的变化有快速的响应能力，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前所采用的控制方法主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。一般用模拟电路来实现，因此线路比较繁琐，结构也比较复杂。随着高速数据处理芯片接口功能的不断完善，学者正在研究采用数字化方法来完成这部分工作。
有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术。20世纪80年代以后，由于IGBT半导体器件的成熟，脉冲宽度调制控制技术的进步，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。仅在日本就有500多台APF投入运行，其容量已达到60MVA。对有源电力滤波器的研究和应用，国内远落后于国外，在日本、美国等国带动下，学术界和企业界已对有源电力滤波器高度重视，并投入了大量的人力和物力，现已取得了许多理论成果，但在应用上还有很大差距，除少数几台有源电力滤波器已投入工业试运行外，其他大部分尚处于研制阶段。但随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题日益严重，“绿色电能”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必将得到广泛地推广、应用。
四、结束语
由于电气化铁路负荷的特殊性，我国电气化铁路用电负荷产生大量的谐波，严重影响着电力系统的电能质量。随着电气化铁路的快速发展，电力系统的谐波污染越来越严重。因些，提高对电铁谐波危害性的认识，加强对电铁谐波的控制和治理工作刻不容缓。
参考文献：
[1]韩柳,谈顺涛.电气化铁路对电网的影响及对策[J].江苏电机工程,2005,(3).
[2]安鹏,张雷.刘玉田.电气化铁路对电力系统安全运行的影响及对策[J].山东电力技术,2005,(4).
[3]夏向阳,廖晓科.有源电力滤波器的研究热点和发展[J].变频器世界,2007,(12).
（责任编辑：沈清）
关键词：电气化铁路；谐波；电能质量；有源滤波
作者简介：肖文英（1978-），女，湖南衡阳人，湖南工学院电气与信息工程系，讲师；张振飞（1966-），男，湖南衡阳人，湖南工学院电气与信息工程系，高级实验师。（湖南 衡阳 421002）
中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）15-0100-02
随着我国近年来电气化铁路（以下简称“电铁”）的迅速发展，电铁牵引负荷在电力负荷中所占的比重也越来越大。并且电铁牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点。电力系统中非线性负荷的大量增加，大大加重了电网谐波污染。电铁牵引负荷的谐波所产生的危害性远比其他谐波源更为严重，更为广泛。因此，电力部门应予以高度重视，尽快采取对应的治理措施。[1]
一、电气化铁路谐波对电力系统的影响
电铁牵引负荷是非线性负荷，非线性负荷在波形、幅值、相位等方面会影响电能质量，主要体现之一就是向电力系统注入大量的高次谐波。大量的谐波注入会对整个电力系统各环节产生不同程度的影响。[2]
1.谐波对电力变压器的影响
谐波会增加变压器的铜耗和铁耗，减少变压器的实际使用容量，另外谐波还会导致变压器噪声增大。
2.谐波对电力避雷器的影响
谐波使变电站大容量、高电压的变压器合闸涌流的过程延长，能够延续数秒或更长的时间，谐波有时还会引起谐振过电压，并使相关避雷器由于放电时间过长而受到破坏。这样会对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数增加很大的难度。
3.谐波对输电线路的影响
谐波会增大输电线路的损耗，缩短电缆的使用寿命，增加事故次数和修理费用。
4.谐波对电力电缆的影响
在电缆输电的情下，谐波会引起局部放电，使介质损耗增加，温度升高，易使电缆损坏。
5.谐波对电力系统其他运行设备的影响
（1）对同步发电机的影响。使同步发电机的附加损耗增大，温升加剧，并且会引起机械振动、产生噪声和出现谐波过电压。
（2）对消弧线圈的影响。当发生单相接地故障，电网谐波成分又较大时，消弧线圈对谐波电流将失去作用，在接地点不能可靠地补偿，从而使系统故障进一步扩大。
（3）对载波通信的影响。电力线路中如果含有较大的谐波电流，谐波电流会通过磁场耦合，在电力线路邻近的通信线路中产生干扰电压，对通信系统的工作产生干扰。
6.谐波对继电保护和自动装置的影响
电力谐波会使继电保护及自动装置动作失去选择性，降低装置的可靠性，甚至引起误动或拒动，这就会造成系统事故，威胁到电力系统的安全运行。近年来，随着微机保护装置的广泛使用，信号中的谐波干扰还可能使测量产生误差。
二、治理电气化铁路谐波的措施
1.改造谐波源的方法
（1）采用三绕组变压器，利用低压侧绕组的接法不同造成相角差（三角形接法和星形接法），使得高压侧的5次、7次谐波电流抵消。
（2）采用脉冲数高的设备（如12脉冲、24脉冲整流电路），使谐波减小。
（3）在机车牵引绕组设置晶闸管投切的3次谐振电容补偿装置，3次谐振电容补偿装置可以降低机车的三次谐波含量，同时产生感性无功电流，提高机车的功率因数。
（4）改造并联补偿电容器组，馈供电铁的变电所内的并联补偿电容器组，在一定条件下会引起谐波增加，因此需将并联补偿电容器组的串联电抗器进行调整。
改造谐波源的方法可以使电力机车产生的谐波减少，但以目前的技术还不能完全消除谐波，而且以前生产的未得到改造的韶山系列交直电力机车还大量运行着，因此改造谐波源的方法在短期内不能有效抑制电铁谐波。
2.采用补偿的方法
采用补偿的方法就是在牵引站集中装设滤波补偿装置，目前常用的补偿装置有以下几种。
（1）无源电力滤波器。无源电力滤波器主要由无源元件R、L和C构成谐振回路，当L、C回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于其具有结构简单、初始投资少、效率高、运行可靠及维护方便等优点，早期被广泛应用于谐波抑制中。但无源滤波器存在许多缺点，如只能消除特定的几次谐波，而对其他的某次谐波则会产生放大作用；滤波特性取决于电网系统的短路阻抗，当电网阻抗值大时滤除率高，当电网阻抗值小时滤除率低，谐波滤除率一般只有80％。因此随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
（2）有源电力滤波器。有源电力滤波器可用于动态的补偿谐波、无功及负序电流。它能实时地检测出需要补偿的谐波、无功及负序电流等分量，产生相应的补偿电流与其相抵消，有源电力滤波器可对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，对补偿对象的变化有快速的响应能力。根据有源电力滤波器与系统的连接方式不同，可分为并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器、串—并联型有源电力滤波器以及混合型有源电力滤波器。
（3）混合有源电力滤波器。由于有源电力滤波器使用电力电子器件，成本高，在电力系统中广泛应用还有难度。且有源电力滤波器的成本与其容量成正相关，通过减小有源滤波器的容量可以降低其成本。因此将无源滤波器和有源滤波器结合起来构成混合电力滤波器，在该方案中，无源滤波器将包含多组单调谐滤波器和高通滤波器，起隔离电源基波电压和抑制大部分谐波电流的作用；有源电力滤波器主要是改善整个系统的性能。混合有源电力滤波器与单独使用有源电力滤波器的方式相比，可有效减小有源电力滤波器的容量，进而降低成本，还可弥补单独使用无源滤波器的不足。
三、有源电力滤波器的优点及发展
1.有源电力滤波器的优点
（1）有源电力滤波器的滤波性能与系统阻抗无关。
（2）与系统阻抗之间不会产生串、并联谐振，系统结构的变化不会引起治理效果的变化。
（3）治理谐波原理上比无源滤波器更好，各次谐波能用一台装置就能很好得到抑制。
（4）实现了动态治理，对补偿对象的变化有快速的响应能力。
（5）补偿功能全面，不但可以补偿谐波，而且可以同时对无功功率和负序进行补偿。
（6）电网频率的变化不会影响谐波补偿特性。
2.有源电力滤波器的发展
有源电力滤波器的发展主要有以下几个趋势。[3]
（1）补偿装置的多功能化，性价比的提高。有源电力滤波器须完成闪变抑制、谐波消除和无功补偿等功能，多功能集于一身满足未来电力系统发展的需要，性价比的提高是有源电力滤波器实用化发展的重要方向。
（2）降低装置容量。有源电力滤波器难以被广泛使用的原因就是其成本太高，而有源电力滤波器的价格与其容量有关，降低容量可以降低成本，目前主要的方法就是将有源电力滤波器和无源电力滤波器混合使用，同时，学者正在研究通过注入回路的方式来降低装置容量，进而降低有源电力滤波器的成本。
（3）控制系统的简化。有源电力滤波器要对补偿对象的变化有快速的响应能力，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前所采用的控制方法主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。一般用模拟电路来实现，因此线路比较繁琐，结构也比较复杂。随着高速数据处理芯片接口功能的不断完善，学者正在研究采用数字化方法来完成这部分工作。
有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术。20世纪80年代以后，由于IGBT半导体器件的成熟，脉冲宽度调制控制技术的进步，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。仅在日本就有500多台APF投入运行，其容量已达到60MVA。对有源电力滤波器的研究和应用，国内远落后于国外，在日本、美国等国带动下，学术界和企业界已对有源电力滤波器高度重视，并投入了大量的人力和物力，现已取得了许多理论成果，但在应用上还有很大差距，除少数几台有源电力滤波器已投入工业试运行外，其他大部分尚处于研制阶段。但随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题日益严重，“绿色电能”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必将得到广泛地推广、应用。
四、结束语
由于电气化铁路负荷的特殊性，我国电气化铁路用电负荷产生大量的谐波，严重影响着电力系统的电能质量。随着电气化铁路的快速发展，电力系统的谐波污染越来越严重。因些，提高对电铁谐波危害性的认识，加强对电铁谐波的控制和治理工作刻不容缓。
参考文献：
[1]韩柳,谈顺涛.电气化铁路对电网的影响及对策[J].江苏电机工程,2005,(3).
[2]安鹏,张雷.刘玉田.电气化铁路对电力系统安全运行的影响及对策[J].山东电力技术,2005,(4).
[3]夏向阳,廖晓科.有源电力滤波器的研究热点和发展[J].变频器世界,2007,(12).
（责任编辑：沈清）