小區(qū)供電系統(tǒng)諧波危害分析及抑制方法

李布

【摘 要】隨著人們生活水平的逐步改善，小區(qū)建筑物內(nèi)的非線性設備的使用量日趨增多，使得其供電系統(tǒng)中的諧波問題日趨嚴重，給小區(qū)的安全、可靠供電產(chǎn)生了嚴重影響。筆者結(jié)合電力諧波的產(chǎn)生原因及小區(qū)供電諧波現(xiàn)狀，分析了諧波對小區(qū)供電的危害，并提出了一系列的諧波抑制方法，并結(jié)合具體案例加以論述，可供參考。

【關鍵詞】供電系統(tǒng)；諧波；危害；抑制；有源濾波器

近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，小區(qū)建筑物內(nèi)的非線性設備得到日益廣泛的應用，同時也對小區(qū)建筑物內(nèi)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，產(chǎn)生諧波污染。諧波污染對供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行構(gòu)成潛在的威脅，諧波干擾導致電氣設備異常和事故有逐年增長的趨勢，電力諧波已成為一大公害，嚴重威脅著配電系統(tǒng)和用電設備的正常運行。因而了解諧波產(chǎn)生的原因及危害，研究諧波的預防及治理措施，對改善供電質(zhì)量和確保供電系統(tǒng)安全運行有著重要的意義。

1.電力諧波的產(chǎn)生

諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)非線性負載時與所加的電壓不呈線性關系就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。隨著電子技術的發(fā)展，電網(wǎng)中非線性負載呈逐漸增加的趨勢，非線性負載在工作時向電網(wǎng)反饋諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變。在電壓畸變的情況下，與電網(wǎng)相連的其他負載也會因此產(chǎn)生諧波電流。目前，家用電器中諸如電視機、音響、計算機、空調(diào)、電冰箱、微波爐、電磁爐、充電器等都是3、5次諧波的主要諧波源，雖然這些設備單個容量不大，但在某一小區(qū)里其數(shù)量很多，這就導致疊加的諧波電流很容易增大到不可忽視的地步。

2.諧波對住宅小區(qū)供電的主要危害

2.1 3次諧波過大。容易引發(fā)火災

市場調(diào)查表明，國內(nèi)市場絕大多數(shù)的熒光燈電子鎮(zhèn)流器3次諧波電流含量高達80%～90%；計算機開關型電源及顯示器、彩色電視機及監(jiān)視器也會有大量3次諧波產(chǎn)生；變頻的家用電器，如空調(diào)、洗衣機、風機、泵、微波爐等，也都是3次諧波的諧波源。3次諧波電流會在中性線上進行疊加，這會導致中性線中電流過大，使配電系統(tǒng)的中性線電纜出現(xiàn)過負荷引起絕緣老化加速，增大了火災隱患。

2.2降低配電系統(tǒng)的安全等級

配電系統(tǒng)中諧波的存在會改變控制設備以及繼電保護裝置的性能。諧波會引起控制設備、繼電保護裝置拒動作或誤動作，造成保護系統(tǒng)運行可靠性降低，容易造成不必要的供電中斷或損失。

2.3影響變壓器正常工作

諧波電流，尤其是3次諧波對三角形連接的變壓器會使變壓器漏磁飽和引起損耗增加，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱。諧波使磁滯損耗增加，電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。諧波還會引起變壓器諧振，噪聲增大，夜間干擾臨近居民休息引發(fā)噪音投訴。

2.4影響線路設備安全供電

由于集膚效應和鄰近效應，線路電阻隨著頻率的增加會很快增加，在線路中會有很大的電能浪費；由于中性線電流通常很小，其線徑一般較細，當大量諧波電流流過中性線時，容易產(chǎn)生大量的熱量，從而破壞絕緣性能造成相問短路。當諧波頻率與網(wǎng)絡諧振頻率相近或相同時，會在線路上產(chǎn)生很高的諧振電壓，嚴重時會使電力設備絕緣擊穿，造成漏電或停電事故。

2.5縮短家用電器的使用壽命

諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，并使機內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用鎮(zhèn)流器的熒光燈及汞燈，會形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。

2.6影響通訊系統(tǒng)的正常工作

當電力線路上流過幅度較大的奇次低頻諧波電流時，由于靜電感應和電磁感應作用，會在鄰近通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，從而降低信號的傳輸質(zhì)量，甚至使通信系統(tǒng)無法正常工作。有時，諧波也有可能造成居民的電視或空調(diào)遙控器失靈。

2.7導致電力計量誤差

電能表是評價居民電能消耗的測量工具和繳費的憑證，而諧波可能使電能表計量產(chǎn)生較大誤差。電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，在測量電能時，存在諧波會在該用戶處產(chǎn)生有害的諧波損耗，用戶為此還要多付電費。

2.8損壞電力電容器

在諧波電壓作用下，電容器會產(chǎn)生額外的功率損耗，加速電容器的老化，縮短電容器的運行壽命。此外，當電容器支路的諧振頻率與某次諧波分量的頻率接近或相等時，會發(fā)生諧波電流放大甚至諧振現(xiàn)象，造成電容器過熱、過壓而無法正常運行。甚至損壞_4j。鎮(zhèn)江公司曾經(jīng)有甘露、苗家巷等小區(qū)配電房發(fā)生過電容器因諧波電流的放大出現(xiàn)熔絲燒斷現(xiàn)象。

3.諧波的抑制方法

表1兩種諧波治理方法比較

針對諧波進行治理，主要包括無源濾波和有源濾波兩種方法。這兩種方法的工作原理與治理效果對比見表1。

這兩種諧波治理方法的性能和價格比較如圖1所示。

由圖1可知，當配電網(wǎng)僅某次諧波含量高時，采用無源濾波器就能滿足要求，且價格便宜。若配電網(wǎng)中諧波次數(shù)多或標準要求較高時，對無源濾波器而言，就是濾波支路增多，其硬件造價幾乎是以指數(shù)速率增長的。而對有源濾波器而言，主要是增加控制的難度和復雜度，硬件的造價基本不受影響。在配電環(huán)境日益復雜和電能質(zhì)量要求越來越高的今天，有源濾波器作為消除諧波的裝置，其優(yōu)點越來越突出。

圖1兩種諧波治理方式的性價比

4.具體案例分析

圖2大廈部分配電圖

我市區(qū)某小高層因配電系統(tǒng)中存在大量諧波導致配電系統(tǒng)中線電流過大，電纜有發(fā)熱現(xiàn)象并且變壓器溫度過高且噪聲明顯，因此希望通過安裝有源濾波器進行諧波治理，該大樓部分配電設施如圖2所示。

在該配電系統(tǒng)中，選取如圖標示位置進行電能質(zhì)量測試，發(fā)現(xiàn)該處的電流已經(jīng)發(fā)生明顯畸變，測量結(jié)果如圖3所示。

由此可看：該測試點電流波形已經(jīng)發(fā)生畸變，尤其是波峰和波谷部分有明顯的尖峰，根據(jù)經(jīng)驗分析是由3次諧波含量較大引起的，這樣的電流波形因為電流變化率di/dt過大的特點，對配電系統(tǒng)的危害也更為明顯。

頻譜可以看出，該配電系統(tǒng)中含有較多的3次、5次、7次、9次、11次諧波。其中3次諧波最為嚴重，過大的3次諧波會引起中線電流過大、發(fā)熱嚴重等現(xiàn)象。

基于以上情況，該大樓采用某型有源濾波器對系統(tǒng)諧波進行治理，安裝某型50A有源濾波器l臺，對整個大樓的諧波進行集中治理。

經(jīng)過治理，該配電中心的電能質(zhì)量得到有效改善，具體波形及頻譜圖如圖3所示。

圖3 1#測試點治理后電流、電壓頻譜

由圖2可以看出，在應用有源濾波器之后，該大樓的配電中心諧波得到了有效的治理，3次、5次、7次、9次、11次諧波都大大減小，同時系統(tǒng)的三相不平衡也得到了治理。這樣的治理效果，不僅消除了諧波對電網(wǎng)和設備的危害而且也消除了中線電流過大引發(fā)火災的隱患。表2是應用有源濾波器前后的數(shù)據(jù)對比。

表2 應用有源濾波器前后數(shù)據(jù)對比

5.結(jié)語

總而言之，諧波抑制的好壞直接關系到供電品質(zhì)，因此，我們把小區(qū)供電諧波的污染抑制工作重視起來。一方面應從源頭抓起，加強設備的管理防止諧波的產(chǎn)生，另一方面是提高認識，積極采用有源濾波器對諧波進行有效抑制。只有這樣才能創(chuàng)造一個既安全又經(jīng)濟的小區(qū)供電系統(tǒng)。

參考文獻：

[1] 劉慶偉；劉向東.諧波的危害與治理[J].機械制造與自動化，2011年03期

[2] 程京紅.民用建筑諧波污染及其抑制方法[J].電氣應用，2008年07期