谐波对电梯相序继电器的影响与治理探讨

　　0 引言
　　城市轨道交通中存在非线性负荷，除牵引整流机组外，还存在大量荧光灯、UPS 电源、变频器及软启动装置等，这些设备产生大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备有不同程度的影响和危害。其主要影响有：对供电线路产生附加损耗；影响各种电气设备的正常工作；使电网中的电容器产生谐振；对附近的通信系统产生干扰；造成继电保护装置的误动作。
　　1 故障概况
　　武汉地铁轻轨一号线东线二七路主变电所（下文简称主所）是一座 10 MVA 容量等级、含 2 台110/10 kV 电压等级变压器的变电所，该所 110 kV进线从供电局滩轨线引进，10 kV 母线运行方式为单母线分段，其出线共 8 回，给堤角牵引降压所、新荣降压所、丹水池牵引降压所、徐州新村牵引降压所、二七路降压所、头道街牵引降压所供电。各所经过 10 kV/0.4 kV 降压变压器给堤角站、新荣站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、头道街站的电梯供电。
　　自 2013 年 8 月起，轻轨一号线东线由二七路主所供电范围内（堤角站、新荣站、丹水池站、徐州新村站、二七路站、头道街站）的电梯相序继电器在地铁运营时间段内频繁动作，动作时间间隔为几分钟。当电梯相序继电器动作后，开关接触点断开，电梯与电源断开而停运。
　　2 初步原因分析
　　2.1 电梯相序继电器功能及动作条件
　　相序继电器是安装于电梯电源进线端，它是由运放器组成的相序比较器，比较电压复制、频率高低和相位。电梯相序继电器的功能如下：
　　（1）相序保护。该保护可防止电梯提升时，电机运行方向与预期相反，例如：预期为梯箱下行，相序错误的情况下实际为上行，在没有加装其他保护措施的情况下，会导致发生冲顶事故。
　　（2）断相保护。该保护可防止电梯的电机在运行过程中遭遇电源断相故障，导致电机损坏或引发其他事故。
　　（3）过压、欠压保护。该保护防止电压过高、过低损坏电梯提升电机而引发其他事故。
　　相序保护器动作条件：当发生三相电源断相、错相及电压波动超过15%、频率和温度超过其范围值，相序保护器均会动作，控制电路的电源将被切断从而电动机电源被切断，致使电梯失电而停运。
　　2.2 故障原因分析
　　二七路主所供电范围内的电梯停运是由电梯相序继电器频繁动作所致，而导致相序保护器动作的条件为三相电源断相、错相、电压波动及频率、温度超过给定范围值。下面对相序继电器动作原因进行逐一排查。
　　3 故障原因确认及分析
　　3.1 谐波对相序继电器的影响
　　相序继电器是由运放器组成的相序比较器，比较电压复制、频率高低和相位。由于相序继电器的构成是一个比较器，它为静态型继电器。静态继电器一般是按相位比较原理构成，由微分式比相器构成的静态继电器，它把 2 个交流电量都变成方波，再将其中一个方波通过微分电路产生脉冲去与另外一个交流量的方波进行比较，而因谐波的存在会出现多个不应有的微分脉冲，引起交流量过零点的机会增多，造成保护装置误动作。
　　以上已排除频率、温度、三相电源断相、错相或反接、电压波动会引起的相序继电器动作，由相序继电器的特性可知，谐波的存在使继电器误判断误动作，而二七路主所供电范围内各变电所 400 V系统中存在较多的谐波电流，以 23 次、25 次谐波突出，5 次、7 次、11 次谐波电流较高。
　　3.2 追查谐波源
　　造成系统中出现谐波的因素和设备较多。电梯是由变频器控制调速，其本身就为谐波源，列车车载逆变器也会产生谐波，线路中含有较多的非线性元件，其中牵引所中的整流器是由大量的电力电子设备组成，牵引所中采用的 24 脉波整流器会产生23 次、25 次以上的特征谐波，当各种非理想因素（电网电压不对称、牵引变压器三相阻抗不对称等）存在时，不可避免地产生非特征谐波，24 相脉波整流也将产生 5 次、7 次、11 次谐波。
　　3.3 分析
　　造成系统中出现谐波的因素很多，而二七路主所与江汉路主所供电系统构架类似，江汉路主所中也含有造成谐波分量的 24 脉波整流器、电梯、非线性元件，而江汉路供电范围内的电梯却能正常运行。据报，供电局江滩变电站 8 月曾遭遇雷击，而江滩变电站是供给二七路主所 110 kV 进线的滩轨线。故而推断因江滩变电站遭雷击，导致二七路主所 110 kV 进线的滩轨线电能质量下降、谐波电流注入，加之牵引供电所内及电梯自身也产生谐波，这2方面的原因对二七路主所400 V低压配电系统中谐波影响增大，使得电梯相序继电器误动，致使电梯停运。
　　4 整改措施
　　4.1 短期措施
　　限制电网谐波的主要措施有：增加整流装置的脉波数、加装交流滤波器、有源电力滤波器等。为使电梯尽快恢复正常运行，在现有设备条件下治理谐波，采取应急措施将二七路主所 400 V 开关柜投3 组电容补偿器，新荣所 400 V 开关柜投 3 组电容补偿器，堤角所 400 V 开关柜投 2 组电容补偿器。经过观察，电容补偿器投入后，相序继电器未动作，电梯正常运行，但检测发现投入电容补偿器的变电所 400 V 配电和 10 kV 配电网功率因素很低。
　　4.2 整改措施
　　由于 1 号线汉口北延长线工程的投入，原有的二七路主所供电容量已不能满足对现有新增站用电负荷的要求，故从供电局引入一路 110 kV 进线福轨线，增设容量 20 MVA 的主变压器，与原有滩轨线一同为二七路主所供电。
　　11 月完成对二七路主所的改造，由原有的滩轨线单电源供电方式改造为由滩轨线和福轨线的双电源供电方式，对改造后的二七路主所进行电能质量检测与评估。
　　5 结语
　　一般影响电能质量的因素有功率因数问题、谐波问题及电压瞬变问题等，高压、中压、低压母线上的电能质量问题是相互影响的。该次电梯的不正常运行是谐波问题导致，随着非线性负荷用电设备的数量、种类的增多，谐波问题不仅是地铁供电、铁路供电系统，也是整个大电网系统中存在较为普遍、频繁、且棘手的问题，对于谐波的预防与治理问题，在地铁供电、铁路供电系统中是需长期研究与探讨的课题。