淺談電力系統(tǒng)諧波的影響與治理

馮彬華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

淺談電力系統(tǒng)諧波的影響與治理

馮彬華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

隨著時(shí)代的發(fā)展，電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、生活用電設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，然而這些電力電子裝置極易產(chǎn)生諧波，影響了電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行和電力計(jì)量裝置的準(zhǔn)確計(jì)量。文章對電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因與過程及該諧波對計(jì)量裝置的影響進(jìn)行了論述。

電力系統(tǒng)；諧波治理；電力電子技術(shù)；計(jì)量裝置；用電設(shè)備

1 電力系統(tǒng)諧波簡介

在電力系統(tǒng)中電網(wǎng)中諧波可描述為：利用傅立葉級(jí)數(shù)對周期性非正弦波電量進(jìn)行分解，從中分解出與電網(wǎng)正弦基波頻率相同的分量和基波頻率大于1的整數(shù)倍諧波分量。研究人員通過對諧波頻率和基波頻率進(jìn)行比較得出了該諧波的次數(shù)和奇、偶性。在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中，諧波不一定是整數(shù)倍的次數(shù)，經(jīng)常出現(xiàn)非整數(shù)倍甚至是分?jǐn)?shù)的諧波；諧波電壓電流的相位關(guān)系，受電力系統(tǒng)潮流、諧波源工況、負(fù)荷變化而變化。

簡而言之，電力系統(tǒng)諧波就是一種干擾能力，產(chǎn)生于電力設(shè)備的運(yùn)行之中，同時(shí)又反作用于電力設(shè)備，使電能質(zhì)量劣化并威脅電網(wǎng)和各種用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。供電企業(yè)要想減少諧波對電力裝置的影響，則需要探究產(chǎn)生諧波的原理與過程，這樣才能找到抑制諧波的方法，從根本上杜絕變頻器諧波的產(chǎn)生，把注入電網(wǎng)的諧波量控制在國標(biāo)范圍內(nèi)以保證電力系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行。

電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因：電力系統(tǒng)諧波一般伴隨著電力設(shè)備的運(yùn)行而產(chǎn)生，電力企業(yè)對電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析在消除諧波給電力系統(tǒng)的影響方面具有舉足輕重的作用。非線性負(fù)載的使用是諧波產(chǎn)生的主要源頭。當(dāng)非線性負(fù)載在工頻電壓運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的工作電流與所加的電壓不成正比，就會(huì)產(chǎn)不同于工頻的其他頻率的非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。如高頻爐、電解設(shè)備、電弧爐、大型軋機(jī)、整流設(shè)備等非線性用電設(shè)備是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備；這些設(shè)備在輸送、轉(zhuǎn)換、吸納系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)所供給的正弦基波能量的同時(shí)，又對部分正弦基波分量轉(zhuǎn)換為高次諧波分量，向電網(wǎng)倒送諧波，使系統(tǒng)的正弦波發(fā)生畸變。另外，電力系統(tǒng)中變壓器在正常運(yùn)行、空載或過勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生勵(lì)磁電流都含有奇次諧波成分，由此構(gòu)成了主要的穩(wěn)定性諧波源。諧波按種類分為：偶次性諧波和奇次性諧波，每種諧波都有不同的頻率、相角及幅值，其中奇次性諧波比偶次性諧波的危害更大。電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波不是一成不變的，諧波會(huì)隨著電力設(shè)備的更新而發(fā)生變化，供電企業(yè)應(yīng)及時(shí)掌握諧波產(chǎn)生的原因，保證供電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

2 諧波對電力系統(tǒng)的影響

2.1 電力系統(tǒng)諧波對變壓器的影響

由于在電力系統(tǒng)中變壓器和變頻器一般一起進(jìn)行工作，所以變頻器在運(yùn)行中由于電流通過而產(chǎn)生的諧波會(huì)直接影響到變壓器的正常工作。變壓器是電力系統(tǒng)中的核心元件，當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行時(shí)，如果變壓器因變頻器產(chǎn)生的諧波而降低工作效率甚至停止工作時(shí)，將會(huì)直接導(dǎo)致供電網(wǎng)癱瘓，給供電企業(yè)造成無法挽回的損失。另外，當(dāng)電流通過電力設(shè)備時(shí)，每臺(tái)電力設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生不同頻率的諧波，這些諧波相互疊加影響，會(huì)對變壓器的正常運(yùn)行造成很大干擾。而且如果變壓器不能穩(wěn)定運(yùn)行，不穩(wěn)定的電流通過變頻器會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的諧波，如此惡性循環(huán)，既降低了變壓器的工作效率，又縮短了變壓器的使用壽命，直接影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 電力系統(tǒng)諧波對電容補(bǔ)償設(shè)備的影響

在諧波作用下，對帶有電容補(bǔ)償?shù)闹C波阻抗會(huì)隨系統(tǒng)的諧波頻率不同而變化，系統(tǒng)可以為容性也可以為感性。當(dāng)系統(tǒng)諧波頻率達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，并且系統(tǒng)感抗遠(yuǎn)大于容抗，電容器與系統(tǒng)其他設(shè)備產(chǎn)生因大量諧波電流而引起系統(tǒng)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，并使諧波電流放大，同時(shí)可能造成危險(xiǎn)的諧波過電壓及過電流，這往往使電容器保護(hù)熔管熔斷甚至損壞電容器。諧波電流一旦被電容器放大并迭加在電容器基波電流上，流過電容器的電流有效值增大，超出其所能承受限值，導(dǎo)致電容器過熱而燒壞，也會(huì)危及電氣回路中其他設(shè)備的安全運(yùn)行。

2.3 電力系統(tǒng)諧波對電力電纜的影響

由于集膚效應(yīng)，在電力系統(tǒng)的運(yùn)行中的諧波電流流過電纜時(shí)，電流集中在導(dǎo)體的表面，導(dǎo)致電纜實(shí)際載流面減少、電阻增加，同時(shí)諧波電流還會(huì)產(chǎn)生較高頻率的電場，促使電纜絕緣的局部放電加劇。除此之外，電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，這種情況下使電纜的損耗增加、溫升增大而發(fā)熱，引起電纜介質(zhì)不穩(wěn)定的危險(xiǎn)性增大，容易發(fā)生事故。

2.4 電力系統(tǒng)諧波的其他影響

諧波是一種電源污染，測量儀器在進(jìn)行數(shù)據(jù)測量時(shí)使用的是正弦波，當(dāng)存在諧波時(shí)，干擾了正弦波，影響測量儀器測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并且導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)化裝置發(fā)生誤動(dòng)作。對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾，影響通信的清晰度，使電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器以及其他數(shù)字化電子設(shè)備的圖形失真、畸變，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。高次諧波還會(huì)直接對用電設(shè)備產(chǎn)生危害，加速設(shè)備老化，增加了發(fā)、供電設(shè)備運(yùn)行成本、影響電氣線路中的保護(hù)元件和繼電保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作等。對電源質(zhì)量要求較高的電子設(shè)備，遇到諧波時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)程序運(yùn)行錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)丟失，甚至導(dǎo)致永久性損壞。

3 諧波的防治措施

為了減少諧波對系統(tǒng)的影響，提升電能質(zhì)量，必須采取行之有效的措施。一方面是著眼于諧波源，減少大容量非線性設(shè)備的使用；另一方面是在諧波源的外部治理。

第一，增加整流裝置的脈沖數(shù)。由于多相整流產(chǎn)生特征諧波的諧波次數(shù)n與脈沖數(shù)p成正比，而其產(chǎn)生的諧波電流的平方均根值又與n成反比?？梢娙绻獪p少由于整流而產(chǎn)生的諧波電流可通過增加整流裝置的脈沖數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

第二，混合采用各種變壓器的接線方式，使5次、7次諧波相互抵消。公用電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行的基本諧波主要由變壓器引起，它與變壓器繞組的接線方式有關(guān)。10kV配電變壓器主要是采用Yyn接線或Dyn接線，而220kV、110kV的變壓器二次側(cè)繞組基本采用星形接線，其二次側(cè)繞組采用三角形接線，從而使得整個(gè)變壓器組的主要諧波電流相互疊加，如果混合采用變壓器的不同接線方式，可以有效地消減電網(wǎng)中的基本諧波。

第三，連接串聯(lián)電抗器，在用戶處，對不帶電抗器的電容器，應(yīng)當(dāng)接入與電容器串聯(lián)的電抗器；已有電抗器時(shí)則要加強(qiáng)抗高次諧波的能力，這些都是抑制高次諧波影響的相應(yīng)措施。

第四，優(yōu)化系統(tǒng)供電與電力網(wǎng)的接線方式，進(jìn)行適當(dāng)?shù)那袚Q。這項(xiàng)措施是結(jié)合電力網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)，研究的系統(tǒng)諧波的合理分布方式，鼓勵(lì)用電客戶在低谷期多用電、電網(wǎng)負(fù)荷高峰期少用電、移峰平谷，并使電力網(wǎng)不致因低谷負(fù)荷時(shí)電力網(wǎng)電壓過于偏高，致使諧波增大。

第五，加裝LC濾波器，可以就近吸收諧波所產(chǎn)生諧波電流。在工頻工況下，濾波器作為移相電容器供給性的無功功率，同時(shí)具有改善功率因數(shù)和抑制高次諧波的作用。

4 實(shí)例分析

中山市飛馬五金有限公司，利用電弧爐從事金屬冶煉加工。電弧爐在工作時(shí)金屬未熔化，電極與金屬碎粒處于斷路狀態(tài)，而在熔化期間電極與液化金屬構(gòu)成兩相電源兩相短路，金屬在熔化過程中，脫離電極，電弧瞬間熄滅，電源又重新處于斷路狀態(tài)。這一周而復(fù)始過程，引起電壓頻率波動(dòng)。主要用電設(shè)備：#2配變，配變?nèi)萘烤鶠?000kVA，型號(hào)為S11M。諧波電流測試數(shù)據(jù)如下：

表1

諧波電流測試小結(jié)：

10kV側(cè)5次諧波電流A相19.84A、C相19.44A均大于12.65A；7次諧波電流A相21.83A、C相22.16A均大于11.49A；9次諧波電流A相12.34A、C相11.15A均大于7.35A；11次諧波電流A相16.72A、C相17.33A均大于9.20A；23次諧波電流A相14.12A、C相13.44A均大于4.87A；25次諧波電流A相12.31A、C相12.06A均大于4.43A，故不滿足國標(biāo)要求。

檢測結(jié)論：中山市飛馬五金有限公司#2配變正常情況下運(yùn)行，10kV側(cè)5次諧波電流、7次諧波電流、9次諧波電流、11次諧波電流、23次諧波電流、25次諧波電流不滿足國標(biāo)要求。

4.1 治理方案

在用戶進(jìn)線柜并聯(lián)補(bǔ)償高壓無功補(bǔ)償裝置（FC）一套，容量為：4800kVAr按無功量自動(dòng)投切，三路投切，每路濾波通道容量為1600kVAr。

4.1.1 濾波補(bǔ)償裝置主要由以下設(shè)備構(gòu)成：真空交流接觸器、微型綜合保護(hù)儀、濾波用電容器和電抗器組合裝置、工作放電裝置、10kV避雷器、控制裝置、測量保護(hù)用電流互感器、戶內(nèi)磁管式熔斷器。濾波用電容器和電抗器組合構(gòu)成高通濾波可調(diào)電阻諧濾波回路，濾波電容器選用全膜介質(zhì)，具有質(zhì)量較高的場強(qiáng)、穩(wěn)定性，并設(shè)有內(nèi)部電阻放電電阻裝置。濾波電抗器由線圈、鐵芯構(gòu)成，可作±5%的調(diào)幅。當(dāng)有諧波注入時(shí)，在XCn＝XLn狀態(tài)下，形成諧波吸收回路。

4.1.2 濾波保護(hù)裝置與控制：各個(gè)濾波裝置回路均是單y形連接，每個(gè)濾波回路設(shè)有速斷、過流、電壓保護(hù)、零序過電壓保護(hù)功能。10kV系統(tǒng)中的各個(gè)濾波裝置回路由真空交流接觸器控制，可以根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行自動(dòng)投入和退出。

4.2 補(bǔ)償前后效果分析

4.2.1 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)：CT：600/5A；PT：100V。

圖1

4.2.2 補(bǔ)償前計(jì)算：

P＝0.62*120*100＝7440kW

S＝0.70*120*100＝8400kVA

Q＝0.32*120*100＝3840kVAr COSΦ1＝0.89

I＝485A

4.2.3 電容自動(dòng)補(bǔ)償后效果：

P＝0.62*120*100＝7440kW Q＝3840－2760＝1080kVAr

COSΦ2＝0.989

I＝430A

圖2

4.2.4 效果分析。視在功率下降8400－7517＝960kVA；下降率10.5%；視在電流下降485－430＝55A；下降率11.4%；變壓器及線路損耗下降1－[COSΦ1/ COSΦ2]2：19.2%。高壓電纜因視在電流及諧波電流減小而減少發(fā)熱量，同時(shí)也保證了功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。由于系統(tǒng)采用24脈波整流裝置，5、7次諧波相互抵銷，但是由于整流裝置的觸發(fā)角度，存在誤差等原因，10kV側(cè)仍含有少量諧波，但是滿足國標(biāo)要求。故此此次設(shè)計(jì)方案采用電抗率為5%的濾波通道，對5次以上諧波不會(huì)產(chǎn)生放大，同時(shí)具備10%左右的吸收能力。實(shí)施治理后，諧波畸變率測試，如圖2所示。

5 結(jié)語

電力在21世紀(jì)的重要性已經(jīng)不言而喻，變頻器的應(yīng)用使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加安全高效，但變頻器產(chǎn)生的諧波對電力系統(tǒng)具有不利影響。本文對電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因進(jìn)行了仔細(xì)分析，并分析了諧波對變壓器、電容補(bǔ)償設(shè)備、電力電纜的影響及治理措施。電力系統(tǒng)諧波對電力輸送過程存在較大危害，電力企業(yè)需投入大量的人力、物力與財(cái)力消除電力系統(tǒng)諧波對計(jì)量裝置產(chǎn)生的影響，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，為電力企業(yè)的健康發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)我國電力行業(yè)更快更穩(wěn)的發(fā)展。

（責(zé)任編輯：王 波）

TM73

1009-2374（2017）12-0153-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.079

馮彬華（1979-），男，廣東中山人，廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司中山供電局輸配電及用電工程助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)分析。

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