法拉德有源滤波器在轨道交通中的应用

1、地铁供电系统介绍

地铁供电电源一般取自城市电网，通过城市电网电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。根据用电性质的不同，地铁供电系统由两部分组成，由牵引变电所为主组成的牵引供电系统和以降压变电所为主组成的动力照明供电系统。 地铁供电方式如下：

  三级电压供电方式

2、地铁车站内各系统谐波源分析

地铁车站内强电、弱电多个系统并存高压、低压多种电压等级并存，交流、直流多种供电制式并存，所以有效抑制谐波电流创造更好的电磁兼容环境，是保证地铁正常运营的需要。

地铁低压配电系统用电设备中的谐波源主要有以下几种：

（1）非线性电光源

为满足照明节能及照度要求，地铁车站中除站台板下照明采用白炽灯外，其它站台、站厅等公共区域及办公管理用房均采用荧光灯。另外车站内大量的广告牌及导向系统照明灯也采用荧光灯。

荧光灯因具有光效高、显色性好、配用电子镇流器后也可调光（调频调幅）等优点被大量使用于建筑内外的各种场所，但均含有奇次谐波。各种荧光灯的谐波电流含有率相差较大：普通绕线式电感镇流器含有率12%～13％的3次谐波；电子镇流器采用功率晶体管的高频开关替代电感，其工作频率一般高达20～60kHz，除含有约10%～20%的3次谐波以外，还含有约3%～10％的高次谐波，普通电子镇流器主要设置了逐流型的滤波电路，其谐波总量在20%以上，低谐波型电子镇流器加强了谐波的过滤，其谐波总量可以控制在10%～15%；另外，为提高功率因数，荧光灯一般均装有并联电容器，但电容器起明显放大谐波的作用。

（2）计算机类弱电负荷

大多数计算机类设备都使用了开关电源(SMPS)。它将传统的变压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管输出所需的多个直流电流，通过控制PWM占空比达到稳定输出的目的。它们不能从电源汲取连续的正弦电流，而只能汲取脉冲电流，从而产生大量的三次及高次谐波的分量。初期的SMPS产品比传统整流装置的谐波含量还要高（尤其是高次），但随着SMPS的模块化和自身谐波隔离技术的发展，其谐波含量可望进一步减少。

（3）变频器类动力负载

变频器已越来越多地被运用到地铁系统中的水泵、电梯、通风及空调系统中，变频一般分为2类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。二者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次、分次、高次)的谐波。多数产品采用6（或12）脉整流，因而含有大量的5（或11）次谐波。由于多数产品自身都采取了谐波防治措施，但质量良莠不齐，其谐波含量也相差很大，从10%～40%不等。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。

（4）UPS、开关电源

UPS不间断电源、开关电源所产生的谐波主要是由其内部的整流装置产生的，因其谐波含量与整流装置相似。地铁配电系统中的设备产生的大量的谐波电流，严重地污染了电网质量，谐波对用电设备也会产生较大危害及用电隐患。特别是无功补偿的投入使谐波进行放大，导致电容器烧毁、损坏等。

3、谐波污染对地铁各个系统的危害

（1）谐波污染对电网的影响

谐波污染造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。造成系统中的设备和元件产生的附加损耗，引起变压器、电缆、电机等设备发热，加速绝缘老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量；造成电子元件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。

（2）谐波对电力变压器的影响

谐波电流使变压器铁损及铜损增加，同时使温度上升并产生噪声。变压器损耗的加大，会使绝缘介质老化并加速寿命缩短。由于谐波电流的存在，变压器额定容量可能会加大，从而使变压器利用率降低，增加了建设成本。

地铁低压配电系统中，配电变压器均采用三角形/星形（Δ/Y）接线方式，这给零序谐波（3次及3的整数倍次谐波）在变压器一次侧绕组内提供了环流通路，从而抑制了3次谐波向电源端的传导。但变压器的这种接线方式并不能阻止其他频率谐波传到电源端。而且无论谐波电流是否被传到电源端，所有的谐波电流均会使变压器损耗加大。

（3）谐波对电缆的影响

谐波污染会使电缆的介质损耗、输电损耗增大，泄漏电流上升，温升增大，干式电缆的局部放电增加，引发单相接地故障的可能性增加。谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

（4）对电容器的影响

使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

（5）其它

由于车站内谐波电流的存在，给诸多不良现象的出现提供了可能，如继电保护误动作或拒动、弱电回路产生干扰、电子设备误触发等。

4、治理方式

Ø 对降压变电所的动力照明系统进行电能质量综合治理。

Ø 在变压器低压侧母线采取集中治理的方式进行治理。

Ø 选用兼具无功补偿、三相不平衡校正功能的的三相四线制有源滤波器（FLD-EAR 4L系列）。

北京地铁现场运行图

京沪高铁天津西站

有源滤波器前后数据对比效果。

①记录图形数据对比

②列表数据对比

测试数据总结

从对比数据中可以看出，谐波电压和谐波电流总畸变率都明显下降，谐波电流得到明显抑制；总功率因数PF得到提高； PF值与cosφ的统一也进一步证明了谐波电流占到基波电流的比例已经很小，谐波已经基本被完全消除。

有源滤波器的治理效果非常明显，不但很好的完成了谐波消除任务，在有剩余补偿容量的情况下对基波无功功率进行了适当的补偿，使得整个配电系统电能质量得到大幅提升，用电环境得到改善。

法拉德电气（北京）有限公司

技术部

                                                     2014年3月