廣州地鐵一號線全長18.4 km，有16個車站、1個車輛段和1個控制中心。全線設(shè)置8座33/1.5 kV DC，33/0.4 kV牽引降壓混合變電所(簡稱TPLS)；25座33/0.4 kV降壓變電所(簡稱PLS)。33 kV線路采用雙回240(300)mm2的XLPE電纜，按4個供電區(qū)域內(nèi)各車站變電所分別環(huán)接，組成33 kV環(huán)網(wǎng)供電，并在公園前車站設(shè)環(huán)網(wǎng)分段點。每個TPLS內(nèi)均設(shè)置2臺整流機組，采用12相全波脈動整流方式，通過直流饋線以1.5 kV向地鐵車輛供電。每個TPLS和PLS均設(shè)置2臺動力變壓器，降壓至0.4 kV向車站、區(qū)間的動力、照明、通信、信號、防災報警、電力監(jiān)控、車站設(shè)備監(jiān)控和自動售檢票等系統(tǒng)供電。
地鐵33 kV環(huán)網(wǎng)與廣東電力系統(tǒng)的聯(lián)接點設(shè)在地鐵專用的2座變電站，即110/33 kV坑口(MPS1)及廣和(MPS2)主變所，分別由220 kV芳村站和220 kV天河站各提供2回取自不同母線的110 kV專線電源。MPS內(nèi)均設(shè)置2臺31.5 MVA，110/35 kV主變壓器，正常運行時，兩臺主變壓器分裂運行；當一臺主變壓器故障或一路電源線路故障時，另一臺主變壓器負擔全站負荷用電。
地鐵供電系統(tǒng)中的波形畸變主要來源于車輛牽引供電的整流、逆變裝置，其次是直流電源成套裝置及其他電子裝置。為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備安全經(jīng)濟地運行，廣州地鐵總公司對地鐵供電系統(tǒng)的高次諧波采取了抑制措施。
2 模擬計算供電系統(tǒng)的諧波情況
利用西門子公司的“SALOMON”軟件，計算分析廣州地鐵一號線供電系統(tǒng)在初期(1998年)、中期(2008年)及后期(2023年)的諧波情況，對比加裝濾波裝置的前后結(jié)果，確定裝設(shè)濾波裝置的方案。
2.1 計算條件
a)牽引整流變壓器采用12脈波整流器。
b)根據(jù)地鐵近期、中期及遠期客流分析，供電網(wǎng)中牽引供電的日平均負荷和高峰小時負荷預測見表1。
表1 牽引供電的日平均負荷和高峰小時負荷 MW
c)MPS的主變壓器接線組別：YONyou(d)-12，33 kV中性點裝設(shè)中性點接地電阻，每臺31.5 MVA主變壓器均設(shè)定有5 MW、低壓0.4 kV的連續(xù)負荷。
d)0.4 kV低壓配電系統(tǒng)假定有電容被償器裝置，其扼流線圈電抗在工頻時占電容器抗的7%。低壓系統(tǒng)66段母線各裝設(shè)1組196 kvar補償電容，具體配置見第3.2節(jié)。
e)110 kV系統(tǒng)短路容量：坑口主變電所為4 GVA，廣和主變電所為3 GVA。
f)公共連接點220 kV芳村變電站和220 kV天河變電站各次背景諧波電壓畸變率測量值見表2。
表2 注入公共連接點背景諧波 %
g)參照國際GB/T14549—93對諧波的要求［1］。
h)主變所低壓側(cè)設(shè)備裝置情況：第一種情況，設(shè)4組3 MVA電容補償器，其扼流線圈電抗在工頻時占電容器容抗的7%(簡稱電容補償器)；第二種情況，裝設(shè)5次、11次諧波濾波裝置(簡稱濾波裝置)。
2.2 模擬計算結(jié)果分析
從計算結(jié)果(表3、表4)可看出：33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率較高，尤其后期嚴重。
表3 預測初、中、后期
在設(shè)置電容補償器的情況下諧波計算結(jié)果 %
表4 預測初、中、后期
在設(shè)置濾波裝置的情況下諧波計算結(jié)果 %
2.2.1 初期
在1998年，無論是裝電容補償器，還是裝濾波裝置，電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率沒有超過國標規(guī)定的限值。但對于改善電網(wǎng)質(zhì)量和電壓總諧波畸變率，裝設(shè)濾波裝置比裝設(shè)電容補償器更為顯著。
國家電力電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，于1998年4月對廣州地鐵運營初期諧波進行測試，結(jié)果表明：濾波裝置未投入，1號主變所33 kV側(cè)電壓總諧波畸變率少于1.5%，各次諧波電壓含有率少于1.2%，完全符合國標要求。
2.2.2 中期
若裝設(shè)電容補償器，則33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率超過國標規(guī)定值，11次諧波電壓含有率接近國標規(guī)定值，110 kV電網(wǎng)則符合國標規(guī)定值。而裝設(shè)濾波裝置，則33 kV，110 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率均符合國標規(guī)定值。
2.2.3 后期
若裝設(shè)電容補償器，則33 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率超過國標規(guī)定值，11次、13次諧波電壓含有率均接近國標規(guī)定值，110 kV電網(wǎng)則符合國標規(guī)定值。而裝設(shè)濾波裝置，則33 kV，110 kV電網(wǎng)的電壓總諧波畸變率和各次諧波電壓含有率均符合國標規(guī)定值，且能改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。
3 諧波抑制措施
3.1 33 kV側(cè)裝設(shè)濾波裝置
計算結(jié)果分析表明：廣州地鐵供電系統(tǒng)110 kV側(cè)可不裝設(shè)濾波裝置，僅需在33 kV側(cè)裝設(shè)能分別消除5次和11次諧波的1.5 Mvar，33 kV，240 Hz和1.5 Mvar，33 kV，600 Hz調(diào)諧濾波電路。所設(shè)的5次和11次濾波裝置同時也對7次、13次等鄰近的諧波進行有效的抑制，使整個地鐵的供電網(wǎng)符合國家標準所規(guī)定的要求。
3.2 0.4 kV電網(wǎng)電感性無功功率和諧波的補償
地鐵各車站兩端變電所在0.4 kV兩段母線處裝設(shè)電容器組進行集中補償。補償后的功率因數(shù)不小于0.9。每段0.4 kV母線上均裝有無功功率自動補償裝置，根據(jù)不同的功率因數(shù)自動逐級投入或切除電容器。
為了能在具有非線性用電設(shè)備的0.4 kV電網(wǎng)中進行無功功率補償，除了裝設(shè)補償電容器外，還在電容器前面串接扼流線圈，從而構(gòu)成一個LC串聯(lián)諧振電路。通過諧振電路的調(diào)整，使諧振頻率低于第5次諧波，或者說使諧振頻率低于0.4 kV電網(wǎng)中出現(xiàn)的最低諧波的頻率(參閱ABB公司出版的Reactive power compensation)。
扼流作用率P的大小表明扼流線圈電抗XL在工頻時應占電容器容抗XC的百分數(shù)，西門子和ABB公司推薦的典型值為5.67%、7%和12.5%。
廣州地鐵0.4 kV電網(wǎng)使用配備有扼流線圈的電容器，選取扼流作用率P=7%，調(diào)諧頻率189 Hz，僅吸收少量的第5次諧波，但對含有高次諧波的33 kV電網(wǎng)卻起到了阻隔作用。
3.3 變流器諧波抑制
為了減少整流機組產(chǎn)生的諧波含量，廣州地鐵在車輛段試用順德特種變壓器廠生產(chǎn)的2臺24相脈波整流變壓器代替德國生產(chǎn)的2.5 MVA、33 kV 12脈波整流變壓器。
理論上12脈波整流機組只產(chǎn)生11次、13次、23次和25次諧波，24脈波整流機組只產(chǎn)生23次、25次諧波。實際上由于交流系統(tǒng)三相阻抗及電壓，尤其是整流變壓器三相阻抗的不平衡，12脈波整流機組還產(chǎn)生5次、7次諧波，24脈波整流機組也產(chǎn)生5次、7次、11次、13次諧波，這些諧波的大小主要決定于整流機組的制造技術(shù)。一般11次、13次諧波經(jīng)電纜放大的程度較大，是造成諧波超標的主要因素。在一號線車輛段24脈波變壓器掛網(wǎng)試驗前，對西門子2.5 MV/33 kV 12脈波變壓器諧波進行測量，并與24脈波變壓器掛網(wǎng)后諧波測量值(由國家電力電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心測試)比較。檢驗結(jié)果見表5、表6，表中所記錄值為相電壓或線電流。
比較表5和表6可知：24脈波整流機組諧波電流總含量較12脈波整流機組降低30%以上，其中11次、13次諧波電流含量較12脈波整流機組約降低80%。
4 結(jié)束語
廣州地鐵供電系統(tǒng)按三個水平年的不同運行方式進行諧波預測，其結(jié)果是：在33 kV側(cè)使用調(diào)諧的濾波電路，在0.4 kV側(cè)使用失諧設(shè)定的濾波電路，可使供電系統(tǒng)正常運行時產(chǎn)生的諧波滿足國標對諧波管理的要求，提高電能的質(zhì)量，使各車站電氣設(shè)備安全經(jīng)濟地運行。今后將對投運后的效果進行監(jiān)測，以便了解負荷增長變化時的情況，驗證計算結(jié)果。
33 kV環(huán)網(wǎng)使用單回電纜約45 km，電容率為0.223 μF/km，牽引負荷功率因數(shù)達0.95以上，0.4 kV系統(tǒng)的動力、照明負荷功率因數(shù)經(jīng)電容器補償后可達0.9以上。因此，補償電容器容量選擇應將濾波電容器及長電纜的電容效應考慮在內(nèi)。
用24脈整流機組取代12脈波整流機組，抑制諧波的效果顯著，在地鐵一號線車輛段TPLS掛網(wǎng)試運行中已取得初步經(jīng)驗，為地鐵供電系統(tǒng)諧波抑制提供了新的途徑。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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