电气化铁路的谐波标准问题.docx
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电气化铁路的谐波标准问题
电气化铁路的谐波标准问题
【摘要】 介绍了国内电气化铁路的概况以及对电网谐波干扰造成的危害。
指出谐波国标《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14549-93）用于电气化铁路存在的问题，并以实例用不同算法求出谐波电流限值作对比说明。
对如何解决电气化铁路谐波标准提出建议。
【关键词】 电气化铁路 谐波 标准
ProblemsonHarmonicsStandardforElectrifiedRailway
Abstract ThepaperintroducesthegeneralsituationofelectrifiedrailwayinChina,andtheharmfuleffectsofharmonicsdisturbanceonsystemoperations.Thepaperpointsoutproblemsofthenationalharmonicsstandardonelectrifiedrailway,comparesharmonicscurrentlimitsderivedbydifferentagorithm.Thepaperalsopresentsproposalsonharmonicsstandard.
Keywords electrifiedrailway harmonics standard
1 问题的由来
改革开放以来我国电气化铁路（以下简称电铁）获得迅速发展。
目前全国电铁通车里程已逾万里，遍及18个省（自治区、直辖市）电网。
电力机车整流负荷中含有较大的谐波，由于滤波措施不得力，电铁大量谐波注入公用电网。
据不完全统计，自电铁投运30多年来，其谐波和负序已引发200MW发电机跳闸，山西、河南和贵州等省电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振，网损明显加大，发电机转子损坏，继电保护和自动装置非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏或不能正常运行，小火电厂不能就近并网等一系列危害，使国民经济蒙受了巨大的损失。
随着电铁运量增加和向东部发达地区扩展，如电铁谐波仍不能得到及时治理，其产生的危害将会更加严重，对此应有足够的估计。
关于电铁的谐波标准，一直是电力和铁道2大部门争论的焦点。
电铁谐波实际上长期处于失控状态。
几乎每个电铁工程均引发了谐波标准的争议，为此国家计委委托中国国际工程咨询公司协调此事。
1997年5月成立了专家工作组（由电力、铁道2部及一些高等院校的专家、教授组成），在中咨公司的领导下开展工作已达1年多，尚未得出结果。
本文试图结合对国外有关标准的介绍，指出谐波国标用于电铁的问题，并以电铁南昆线和京广线上6个牵引站作为计算实例，提出确定电铁谐波限值计算方法，希望能为解决此问题起抛砖引玉的作用。
2 国外的有关情况
从收集到的英国、加拿大、新西兰、澳大利亚、美国、南非等国家和地区的有关标准［1～8］可以看出：
（1）目前电气化铁路的谐波问题已经普遍受到各国的关注。
在电铁规划设计阶段，均应作为一个必须认真对待的技术问题。
（2）电铁的谐波限值一般服从各国电力部门制定的谐波标准，铁路部门努力采取措施，力求达到要求。
（3）针对电铁的特点，各国在贯彻标准上有不同的做法。
例如，英国制定了专门工程导则（P.24），对电铁负荷的取法及波形作出规定；有些国家对电铁谐波标准作些弹性处理。
对于110kV及以上系统，电压总畸变率不超过3%，单次谐波不超过1%（这里是否包括背景谐波似乎不太一致）；有的国家按本国谐波国标执行。
3 谐波国标用于电铁的问题
GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》是在总结执行原水电部《电力系统谐波管理暂行规定》（SD126-84）的经验，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸收国外谐波标准研究成果的基础上提出的，作为推荐性国家标准，于1994年3月实施。
实际上，此标准为国内唯一的公用电网谐波标准，经《电力法》规定为保证电能质量的依据（当然只限于谐波指标）之后，就带有权威性，因此应当严肃执行。
但是必须指出：
（1）从总体上讲，电网谐波水平是由各级谐波电压来表征的（即各次谐波电压含有率和电压总谐波畸变率）。
尽管国际上对此尚未统一，但在《谐波国标》制定中已作过大量调研和论证，不应任意变动（如果要变动，也应立修订计划）。
电铁作为公用电网的一个用户，必须以此规定为出发点来分配应得的谐波指标。
（2）《谐波国标》中其它规定的内容（例如有关电流分配的计算，谐波合成计算，测量仪器和测量方法等）在国外有的标准中干脆不写，有的标准中为了执行方便起见也写上，但很原则，难以概括在实际执行中遇到的种种问题。
国标就是采用了后一种写法，实际上也遗留很多问题，通过近几年的执行，也发现不少问题，因此应配套制定“技术导则”之类的文件加以详细补充明确。
国标中这些规定，不应等同于
（1）中的内容，对这方面作合理的修订、补充，不应视为违反国标或《电力法》。
事实上标准的权威性是以其科学性为前提的，强行坚持标准中不合理的（或过时的）规定或做法最终会使标准失去权威性和严肃性，不利于标准的贯彻。
《谐波国标》制定中，在处理电铁等负荷的3次谐波电流限值方面考虑欠妥。
国标是参照英国G.5/3规定，结合我国电力系统的实情，一律放宽到以奇次电压谐波含有率限制值的60%来计算谐波电流允许值。
显然，这里存在以下2个问题：
（1）对那些本来就不产生3次特征谐波的用户（例如6相、12相整流负荷）也放宽到60%是不合理的。
而系统中一般大多数谐波源以5、7次等为主，将这些负荷3次谐波电流控制在50%甚至更低水平是完全可能的，一律放宽的做法不妥。
（2）电气化铁路、工业（交流）电弧炉等负荷，3次谐波是其最大的特征谐波，只分到比非特征 谐波略多一点的指标是显得偏严的，而且这样给指标违背“公平对待一切用户”的原则，因为标准中之所以将偶次谐波电压定为奇次谐波电压的一半，就是因为一般电网中偶次谐波是其非特征分量，可以控制得严一些。
奇次谐波（5、7、11、13等次）是特征分量，应当放宽，否则标准就过严了。
这个原则也应适用电铁、电弧炉等负荷的3次谐波限值确定上。
此外，英国G.5/3规定中没有按供电容量分配谐波指标问题，参照G.5/3规定来确定给予用户的3次谐波电压的比例未必合适。
基于以上考虑，笔者认为根据电铁负荷特点，应按特征谐波份额给予3次谐波电流限值。
具体做法上，只需按国标计算，除以0.6系数即可，即相当于放宽到1.67倍。
此外，按《谐波国标》在谐波电流允许值计算中还有一个供电设备容量和用户协议容量的取法问题。
国标里订的是“用电协议容量”，电铁牵引站虽然装有2台变压器，但只允许轮换使用，因此取1台计算较合理，但目前普遍按2台容量计算。
至于供电设备容量，考虑到总谐波电流允许值是按最小运行方式下短路容量换算出来的，因此供电设备容量也宜对应此方式下的容量。
一般向电铁牵引站供电的变电站中至少有2台主变压器，在最小方式下大多数应是1台供电，此时供电设备容量取1台较为合理。
不过也有一些人主张按全部供电设备容量计算允许电流。
根据以上情况，对电铁南昆线和京广线上6个牵引站的谐波电流限值作了6种算法的比较，列于表1。
其中，河南省李家寨站的谐波注入电流（110kV）是实测95%概率大值（缺11次谐波）［9］。
6种算法分别为：
（1）第1种算法：
电铁用电协议容量按2台牵引变压器考虑，公共连接点的供电设备容量按2台变压器考虑。
（2）第2种算法：
电铁用电协议容量按2台牵引变压器考虑，公共连接点的供电设备容量按1台变压器（如果2台变压器容量不相等则取容量大的计算，下同）考虑。
（3）第3种算法：
电铁用电协议容量按2台牵引变压器考虑，公共连接点的供电设备容量按1台变压器考虑。
另外，将《谐波国标》表1中的3次谐波电流允许值除以0.6（即放大1.67倍）。
（4）第4种算法：
电铁协议容量按1台，供电设备容量也按1台计算。
另外，将《谐波国标》表1中的3次谐波电流允许值除以0.6。
（5）第5种算法：
电铁协议容量按1台计算，供电设备容量按2台计算。
另外，将《谐波国标》表1中的3次谐波电流允许值除以0.6。
（6）第6种算法（参照国外）：
公共联接点各次谐波电压含有率均按1%考虑。
表1数据是根据铁道部门提供的牵引站供电臂谐波电流和电力部门提供的牵引站供电基础资料计算所得。
计算中27.5kV侧谐波源电流一臂取供电臂95%概率最大电流，另一臂取供电臂的日平均有效电流。
牵引变压器110kV侧的三相谐波电流，即注入公共联接点的谐波电流，YN，d11接线变压器采用公式
（1），平衡变压器采用公式
（2）。
表1 6个牵引站按不同算法求出的谐波电流限值
站名
h/次
Ih/A
算法1
算法2
算法3
算法4
算法5
算法6
Ihi/A
G
Ihi/A
G
Ihi/A
G
Ihi/A
G
Ihi/A
G
Ihi/A
G
永
丰
营
3
10.51
0.89
11.76
1.68
6.26
2.80
3.76
1.49
7.06
0.79
13.25
13.80
0.76
5
11.66
1.09
10.66
1.95
5.98
1.95
5.98
1.09
10.7
0.61
18.99
8.28
1.41
7
8.39
1.06
7.88
1.75
4.80
1.75
4.80
1.06
7.88
0.65
12.93
5.92
1.42
9
3.27
0.89
3.69
1.25
2.61
1.25
2.61
0.89
3.69
0.63
5.21
4.60
0.71
11
4.59
1.03
4.47
1.51
3.04
1.51
3.04
1.03
4.47
0.71
6.56
3.76
1.22
百
色
3
8.50
0.76
11.16
1.27
6.71
2.11
4.03
1.12
7.56
0.60
14.19
7.21
1.18
5
9.46
0.90
10.57
1.43
6.63
1.43
6.63
0.80
11.8
0.45
21.05
4.32
2.19
7
6.81
0.82
8.34
1.22
5.59
1.22
5.59
0.74
9.17
0.45
15.05
3.09
2.20
9
2.65
0.61
4.37
0.80
3.30
0.80
3.30
0.57
4.67
0.40
6.61
2.40
1.10
11
3.73
0.72
5.15
0.99
3.77
0.99
3.77
0.67
5.55
0.46
8.15
1.97
1.90
威
舍
3
9.21
1.38
6.65
2.60
3.54
4.33
2.13
2.31
3.99
1.23
7.50
6.58
1.40
5
10.17
1.54
6.62
2.74
3.72
2.74
3.72
1.54
6.62
0.86
11.80
3.95
2.58
7
7.32
1.28
5.72
2.10
3.48
2.10
3.48
1.28
5.72
0.78
9.38
2.82
2.60
9
2.85
0.81
3.53
1.14
2.49
1.14
2.49
0.81
3.53
0.57
4.99
2.19
1.30
11
4.01
1.01
3.98
1.48
2.71
1.48
2.71
1.01
3.98
0.68
5.85
1.79
2.24
柳
辛
庄
3
31.32
4.81
6.51
9.03
3.47
15.06
2.08
8.02
3.91
4.27
7.34
14.57
2.15
5
15.18
5.14
2.95
9.16
1.66
9.16
1.66
5.14
2.95
2.89
5.26
8.74
1.74
7
10.92
4.04
2.70
6.63
1.65
6.63
1.65
4.04
2.70
2.46
4.43
6.25
1.75
9
4.04
2.29
1.76
3.24
1.25
3.24
1.25
2.29
1.76
1.62
2.49
4.86
0.83
11
5.68
2.94
1.93
4.32
1.32
4.32
1.32
2.94
1.93
2.00
2.84
3.97
1.43
汤
阴
3
30.61
3.01
10.16
5.66
5.41
9.43
3.25
5.02
6.10
2.67
11.45
11.18
2.74
5
14.83
3.27
4.53
5.83
2.54
5.83
2.54
3.27
4.53
1.84
8.07
6.71
2.21
7
10.67
2.64
4.04
4.34
2.46
4.34
2.46
2.46
4.04
1.61
6.62
4.79
2.23
9
3.95
1.57
2.51
2.23
1.77
2.23
1.77
1.57
2.51
1.11
3.55
3.73
1.06
11
5.55
1.99
2.79
2.92
1.90
2.92
1.90
1.99
2.79
1.35
4.10
3.05
1.82
李
家
寨
3
25.5
8.45
3.02
15.86
1.61
26.43
0.96
14.1
1.81
7.50
3.40
17.70
1.44
5
11.9
8.75
1.36
15.59
0.76
15.59
0.76
8.75
1.36
4.91
2.42
10.62
1.12
7
5.39
6.56
0.82
10.76
0.50
10.76
0.50
6.56
0.82
4.00
1.35
7.58
0.71
9
3.23
3.41
0.95
4.83
0.67
4.83
0.67
3.41
0.95
2.41
1.34
5.90
0.55
注：
表中h表示谐波次数；Ih表示注入110kV侧公共连接点的最大谐波电流；Ihi表示谐波电流允许值；G表示超过允许电流倍数。
（1）
（2）
式中 K--牵引变压器变比；
Ihsa、Ihsb--注入牵引变压器两供电臂谐波电流，A；
IAh、IBh、ICh--牵引变压器110kV侧A、B、C三相谐波电流，A。
从表1中可以看出：
（1）按第1种算法，在南昆线上3个牵引站（永丰营、百色和威舍，其牵引变压器均为YN，d11接线），当不采取滤波措施时，3次谐波电流超标达7～12倍；5次为7～11倍；7次为6～8倍。
在计算牵引站3次谐波电流时，已考虑到南昆线的韶7机车上已带3次滤波器（滤去约50%的3次谐波电流）。
在京广线上2个牵引站（柳辛庄和汤阴，其牵引变压器分别为YN，d11接线和阻抗匹配平衡变压器），3次谐波电流超标达7～10倍，5次为3～5倍，7次为3～4倍。
一般采用LC型滤波器，滤波效益大约只可达85%左右，超标10倍以上难以滤至合格。
更何况对于电铁这种动态负荷，补偿装置必须考虑功率因数、滤波和电压调整的综合效果，投资也不能太大。
多种制约条件使我们有理由认为，按第1种算法供电容量和协议容量取得均不合理，得出谐波限值目前实际上不可行。
（2）第2种算法是将供电容量和最小短路容量方式作对应，导致各次谐波允许值增大，但电铁的协议用电容量取得不合理；而且从表1看，永丰营和百色2站的3次谐波限值仍过严（在已滤除50%前提下超标6～7倍）。
（3）按第3种算法对于南昆线上3个牵引站，3、5、7次谐波电流超标分别达到2～4倍、4～7倍和3～6倍，对于京广线上2个牵引站则3、5、7次谐波电流超标2～3倍，唯有李家寨站全部不超标。
上列超标谐波用LC滤波器是能够滤至标准值以内的。
需要指出，从计算结果看，即使用这种算法，9、11次谐波电流也是超标的（1.2～4倍），对于电铁负荷，主要解决3、5、7次就可以了。
从国外电铁牵引站的滤波器设置来看，最多也是3、5、7次（个别将7次设为高通滤波器）。
但这种算法协议容量取得不合理。
（4）第4种算法（合理的算法）实际计算结果只比第1种算法在3次谐波上放大1.67倍，对于象南昆线上永丰营和百色站，3、5次超标仍难以治理合格（3次谐波是在机车上已滤去50%谐波前提下还超标到7倍左右）其它5个站基本上还可以。
对于上列情况，建议仿照IEC标准中规定的用“第3级处理”原则，即根据电网和负荷特点作专门研究，在确保电网公共联接点上不超标（或超标影响不大）的前提下，适当放宽谐波限值，同时在电铁牵引站采取适当的消除谐波措施。
实际上，这类情况在规划设计阶段处理容易得多（例如，避免多个牵引站从1个公共联接点上供电，牵引站加大消谐投资，在供电方式上尽量避免大谐波源叠加方式等等）。
总之，出现“第3级处理”的场合，应由电力和铁道两部门协同解决问题。
在谐波影响未搞清前，不要盲目确定供电方式。
国家质量技术监督局已决定“等同采用”IEC61000系列标准，这些标准将陆续作为国家标准发布，因此，目前对于《谐波国标》中明显的缺点或者未作明确规定之处，参考IEC相应标准去处理是较好的选择办法。
（5）第5种算法是考虑到某些情况下系统最小运行方式对应的是2台供电变压器。
本文中的柳辛庄和李家寨即属于此种情况。
但对于其它牵引站，供电容量取得不合理，导致对用户谐波限值过严。
（6）第6种算法是国外有些电铁上用的标准，是所列的6种算法中放得最宽的一种。
这种方法的主要缺点是未按容量分配谐波指标，如果一个公共联接点上接多个（2个及以上）牵引站，再考虑到系统背景谐波的存在，则可能导致谐波电压严重超标，因此不宜采用。
4 结束语
目前一些电网（特别是电铁负荷较大的电网）中谐波（实际上兼有负序）问题较严重，其主要原因是没有按《谐波国标》规定采取有效的滤波措施；同时对并联电容器组可能造成谐波放大问题注意不够所致。
对于国标既应强调其权威性，同时在具体处理超标问题上应实事求是。
电铁谐波是面临的一个重要问题。
应当承认电铁负荷有其特殊性，但作为公用电网的一个用户，应以国标规定为基础，参照IEC相关标准的规定，结合其特点来解决。
本文建议，对电铁牵引站的3次谐波电流按特征谐波分配指标，为此按国标计算结果乘1.67系数。
谐波限值计算中，电铁的供电设备容量应采用最小方式下的容量，以和谐波电流允许值换算结果相对应。
电铁的协议容量应按其实际用电容量取。
电铁谐波的测量和取值等问题，宜通过试点工程，进一步研究解决。
作者单位:
中国电力科学研究院（北京100085）
参考文献
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四川省电力试验研究所，1987
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（2）
10 林海雪.国际电工委员会谐波标准简介.中国电力，1998，31（10）
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