淺談企業(yè)諧波治理

賈中明

[摘要]簡(jiǎn)要分析企業(yè)諧波的來(lái)源及危害，提出治理諧波的初步建議及措施。

[關(guān)鍵詞]諧波 電網(wǎng) 整流 治理

中圖分類號(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671－7597（2009）0720013－01

諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常也稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50HZ）相同的分量。當(dāng)電網(wǎng)中的諧波電流較大時(shí)，我們稱之為電網(wǎng)污染。在電網(wǎng)被污染的情況下，所有電網(wǎng)中的設(shè)備與負(fù)荷均會(huì)受到影響。

一、企業(yè)諧波產(chǎn)生的原因

（一）電源自身諧波。諧波在電網(wǎng)誕生的同時(shí)就是存在的，因?yàn)橛捎谥圃旃に嚨膯?wèn)題，電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，從而使產(chǎn)生的電流稍微偏離正弦，這部分諧波分量只有在多路供電時(shí)才對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。電力變壓器由于其磁化曲線的非線性也產(chǎn)生少量諧波。

（二）非線性負(fù)載產(chǎn)生。諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。變頻器、軟啟動(dòng)器、穩(wěn)壓電源、電子熒光燈等用電負(fù)載等都是非線性負(fù)載，是企業(yè)主要的諧波源。

1．隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，晶閘管整流在不間斷電源、穩(wěn)壓裝置、自動(dòng)控制等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。就電力系統(tǒng)中的供電電壓來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為其波形基本上是正弦波，由于晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是周期性的非正弦波，根據(jù)任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量，在電網(wǎng)電流中含有大量的諧波。整流裝置產(chǎn)生的諧波是電網(wǎng)最大的諧波源。整流裝置從電源吸收高次諧波電流，電流在電源回路引起阻抗壓降，因此導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)都含有高次諧波成分。

2．變頻器也是企業(yè)諧波污染的另一重要因素。變頻調(diào)速在企業(yè)應(yīng)用較為廣泛，常用于風(fēng)機(jī)、水泵、皮帶秤計(jì)量控制等設(shè)備中。變頻器是把工頻電變換成各種頻率的交流電，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出直流電壓進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。由于變頻器大量使用了非線性的晶閘管，對(duì)其供電電源就形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載。變頻裝置由于采用了相位控制，是以脈動(dòng)的方式從電網(wǎng)吸收電流，脈動(dòng)電流導(dǎo)致電網(wǎng)電壓畸變使其含有諧波成份。隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染也越來(lái)越嚴(yán)重。

3．軟啟動(dòng)器也造成了諧波污染。大功率設(shè)備如風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)的起停都采用了軟啟動(dòng)器，因?yàn)檐泦?dòng)器采用三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓，由于晶閘管是典型的非線性器件，因此在使用過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行及電網(wǎng)造成了不良影響。

4．照明系統(tǒng)也產(chǎn)生諧波。目前企業(yè)廣泛使用的熒光燈、節(jié)能燈、氣體放電燈等都屬于非線性負(fù)載，在節(jié)能的同時(shí)也給電網(wǎng)帶來(lái)了大量的諧波。

二、諧波造成的危害

在諧波源設(shè)備集中使用的配電區(qū)域，諧波污染相當(dāng)嚴(yán)重，電源功效明顯下降。諧波對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)備和負(fù)載的影響，基本分為兩方面：（1）熱應(yīng)力；（2）負(fù)載損壞。諧波會(huì)增加設(shè)備的損耗而加劇熱應(yīng)力。電壓畸變而導(dǎo)致電壓峰值增大，可能導(dǎo)致電纜絕緣擊穿或設(shè)備損壞。

1．所有接于電網(wǎng)中的設(shè)備的損耗都會(huì)增加，溫升增加。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩降低，過(guò)熱甚至燒毀。

2．由于諧波的頻率較高，諧波源的諧波電流流入變壓器時(shí)增加了變壓器的銅損耗和鐵損耗，導(dǎo)致變壓器容量減小，同時(shí)隨著諧波頻率的增高電流集膚效應(yīng)更加嚴(yán)重，鐵損耗也更大從而引起變壓器局部過(guò)熱，縮短使用壽命。

3．諧波能引起補(bǔ)償用電力電容器過(guò)熱、過(guò)壓，諧波電壓使電容器產(chǎn)生額外的功率損耗，并聯(lián)電容器其容抗隨著諧波頻率增大而減少，產(chǎn)生過(guò)電流，加速絕緣老化進(jìn)程，增加絕緣擊穿故障。同時(shí)如果電容與電路的電感配合不當(dāng)，容易在某個(gè)諧波頻率附近產(chǎn)生諧振，從而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓進(jìn)一步畸變。

4．諧波會(huì)影響互感器的計(jì)量精度。諧波源將其吸收的一部分電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波發(fā)送到電網(wǎng)中去，因此電能表會(huì)將諧波能量當(dāng)作發(fā)電來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致計(jì)量誤差，增加企業(yè)的額外費(fèi)用。

5．精密電子設(shè)備會(huì)被嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致不能正常工作，甚至燒毀。整流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，因而會(huì)引起電磁干擾，對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

6．由于繼電保護(hù)機(jī)構(gòu)是根據(jù)工頻正弦波的變化規(guī)律作為動(dòng)作激勵(lì)設(shè)計(jì)的，當(dāng)波形畸變嚴(yán)重時(shí)各種保護(hù)裝置和自動(dòng)控制裝置的動(dòng)作都會(huì)受到影響，造成繼電保護(hù)裝置與自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)作或拒動(dòng)作，影響企業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)。如果零序三次諧波電流過(guò)大，可能引起接地保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

三、諧波治理的措施

電力消費(fèi)的趨勢(shì)是高效率用電與高質(zhì)量用電相接合。進(jìn)行諧波治理，提高電力品質(zhì)是第一位的，其次是節(jié)能。諧波治理是個(gè)綜合治理過(guò)程，一方面應(yīng)從源頭抓起，加強(qiáng)設(shè)備的管理防止諧波的產(chǎn)生，更重要的一方面是提高認(rèn)識(shí)，積極進(jìn)行諧波治理，防止災(zāi)害產(chǎn)生。目前國(guó)內(nèi)一些企業(yè)已開(kāi)始重視諧波的污染，取得了節(jié)能和提高電網(wǎng)品質(zhì)的雙重效果。

解決電力電子裝置和其它諧波源污染問(wèn)題的基本思路有兩條：一是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置，即采用LC組成的無(wú)源調(diào)諧濾波器；二是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，改進(jìn)整流裝置，采用多相脈沖整流使其盡量不產(chǎn)生諧波，由于其電流電壓同相位，稱高功率因數(shù)整流器或高功率因數(shù)變流器。因?yàn)橹C波補(bǔ)償裝置既可補(bǔ)償諧波，又可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此一直廣泛使用。其缺點(diǎn)是只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，其補(bǔ)償特性也受電網(wǎng)感抗的制約，補(bǔ)償效果也不理想，但仍是補(bǔ)償諧波的主要手段。

目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器。其基本原理是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中電流，快速分離出諧波電流分量，發(fā)出控制指令，實(shí)時(shí)產(chǎn)生大小相等方向相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)濾除諧波電流。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波電流進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其運(yùn)行不受系統(tǒng)的影響，也不會(huì)產(chǎn)生諧波放大，同時(shí)可補(bǔ)償無(wú)功功率，提高功率因數(shù)是一種較先進(jìn)的諧波抑制技術(shù)。但由于其造價(jià)較高，只適用于小容量諧波補(bǔ)償。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著企業(yè)的技術(shù)改造及設(shè)備升級(jí)換代，非線性電力設(shè)備愈加廣泛應(yīng)用，由此導(dǎo)致電力系統(tǒng)中諧波問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，誘發(fā)火災(zāi)等安全事故，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、可編程控制器等自動(dòng)化控制設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們正常的生產(chǎn)、生活。本著誰(shuí)污染，誰(shuí)治理的原則企業(yè)應(yīng)加大投入，合理用電，抑制電網(wǎng)污染，使電網(wǎng)中其他用戶使用到清潔的電能，肩負(fù)起企業(yè)應(yīng)擔(dān)負(fù)的社會(huì)責(zé)任。

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