论文部分内容阅读
摘要： 随着现代铁路的发展，电气化铁路谐波也得到了更广泛的应用，近几年来，铁路谐波对电力系统的影响也引起来各界的关注，现在就如何减少电气化铁路谐波的影响进行陈述，并且对有源电力滤波器的优缺点以及未来发展方向进行一个探究。
关键词：电气化铁路；谐波；电能質量；有源滤波
电气化铁路（以下简称“电铁”）在现代科技时代的牵引下，得到了飞速的发展，电力负荷中运用比较比重比较大的是电铁牵引负荷，其突出特点是非线性、不对称性、波动性等特点。非线性负荷的不断提高，对长电网谐波也造成了很大的污染。因为电铁牵引负荷谐波带来的负面影响较其他谐波带来的危害更为明显和强大，所以引起了各界的不断关注，有关部门应该采取措施进行整治。
一、电气化铁路谐波对电力系统的影响
电铁牵引负荷对电力系统的影响主要表现就是高次谐波，大量的高次谐波不断地注入电力系统会对电力系统地各个环节带来不同水平的影响，主要是因为非线性这一特点，波形、幅值、相位等方面影响着电能的质量。
1谐波对电力变压器的影响
电铁谐波对电力系统的影响存在与很多环节中，其中对变压器的影响主要是铜耗和铁耗的增加，使实际使用量减少，同时也使变压器的噪声增大很多。
2谐波对电力避雷器的影响
电铁谐波对电力避雷器的影响也是不可忽视的，它不仅可以延长变电站大容量、高电压的变压器合涌流的过程，延长的时间也比较长，同时也造成谐振过电压，也因放电时间长对避雷针造成了影响。
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谐波对偷电线路的影响
电铁谐波对输电线的影响是使输电线的使用寿命大大缩短，使输电线的耗费增加，同时也增加了整个线路的事故发生频率和维修费用的增加。
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）电铁谐波对电力系统其他设备带来的影响也很大，第一是表现在同步发电机的影响上，谐波不仅会使同步发电机的附耗损增加，也会使同步发电机的温度升高，而且更会造成机械的震动，使噪声增加，谐波过电压也会随之产生。
（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藕合，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。
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）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。
（3）实现厂动态治理，对补偿对象的变化有快速的响应能力。
（4）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。
（5）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。
（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。
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。随着电气化铁路的决速发展，电力系统的谐波污染越来越严重。因此，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）.
关键词：电气化铁路；谐波；电能質量；有源滤波
电气化铁路（以下简称“电铁”）在现代科技时代的牵引下，得到了飞速的发展，电力负荷中运用比较比重比较大的是电铁牵引负荷，其突出特点是非线性、不对称性、波动性等特点。非线性负荷的不断提高，对长电网谐波也造成了很大的污染。因为电铁牵引负荷谐波带来的负面影响较其他谐波带来的危害更为明显和强大，所以引起了各界的不断关注，有关部门应该采取措施进行整治。
一、电气化铁路谐波对电力系统的影响
电铁牵引负荷对电力系统的影响主要表现就是高次谐波，大量的高次谐波不断地注入电力系统会对电力系统地各个环节带来不同水平的影响，主要是因为非线性这一特点，波形、幅值、相位等方面影响着电能的质量。
1谐波对电力变压器的影响
电铁谐波对电力系统的影响存在与很多环节中，其中对变压器的影响主要是铜耗和铁耗的增加，使实际使用量减少，同时也使变压器的噪声增大很多。
2谐波对电力避雷器的影响
电铁谐波对电力避雷器的影响也是不可忽视的，它不仅可以延长变电站大容量、高电压的变压器合涌流的过程，延长的时间也比较长，同时也造成谐振过电压，也因放电时间长对避雷针造成了影响。
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谐波对偷电线路的影响
电铁谐波对输电线的影响是使输电线的使用寿命大大缩短，使输电线的耗费增加，同时也增加了整个线路的事故发生频率和维修费用的增加。
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）电铁谐波对电力系统其他设备带来的影响也很大，第一是表现在同步发电机的影响上，谐波不仅会使同步发电机的附耗损增加，也会使同步发电机的温度升高，而且更会造成机械的震动，使噪声增加，谐波过电压也会随之产生。
（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藕合，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。
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）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。
（3）实现厂动态治理，对补偿对象的变化有快速的响应能力。
（4）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。
（5）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。
（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。
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。随着电气化铁路的决速发展，电力系统的谐波污染越来越严重。因此，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）.