淺談諧波分析及治理在配電網中的應用

時間：2020-09-09作者：江蘇安科瑞電器制造有限公司瀏覽：49

摘要：為解決供電緊張的問題，一方面要建設許多新的電廠和輸電線路，另一方面要利用現(xiàn)有的電力資源，減少電力損耗。諧波是導致電力損耗增加，供電質量下降的重要因素。因此提高電源的功率因數(shù)和降低諧波成分存在著根本的矛盾。文章分析諧波基本性質和測量方法，對配網中諧波的來源和危害進行了詳細說明，總結和提出了治理諧波的若干方法。

關鍵詞：配電網;諧波

諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質量—公用電網諧波》對電網各級電壓諧波水平進行了量化限制，對用戶注入公用電網的諧波電流也進行了相應的規(guī)定，在主網、城網中，諧波治理有明確的規(guī)定和要求，而日益發(fā)展的農村電網對有關諧波的治理并未引起足夠的重視，認識還有待提高。

1 配電網中的諧波源

1.1 發(fā)電機產生的諧波

嚴格意義上講，電力網絡的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產生諧波，其中產生諧波多位于用電環(huán)節(jié)上。發(fā)電機是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機三相繞組須完全對稱，發(fā)電機內的鐵心也須完全均勻一致，才不致造成諧波的產生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術等方面的限制，發(fā)電機總會產生少量的諧波。輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖**形，內含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點偏離線性就越遠，產生的諧波電流就越大，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。

1.2 整流設備產生的諧波

用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產生一定量的諧波。晶閘管整流技術在電力機車、充電裝置、開關電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網吸收的是半周正弦波，而留給電網剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產生大量的諧波。有統(tǒng)計表明，整流設備所產生的諧波占整個諧波的近 40%，是較大的諧波源。

1.3 變頻器產生的諧波

變頻原理常用于水泵、風機等設備中，變頻一般分為兩類：交—直—交變頻器和交—交變頻器。前者將380V 50Hz工頻電源經三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功 率晶體開關元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉換成相數(shù)一致但頻率可調的交流電。兩者均采用相位控制技術，所以在變換后會產生含復雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網造成嚴重的諧波污染。充氣電光源和家用電器較是常見的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應用氣體放 電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線性特征。計算機、電視機、錄像機、調光燈具、調溫炊具、微波爐等家用電器，因內置調壓整流元件，會對電網產生高次奇諧波;電風扇、洗衣機、空調器含小功率電動機，也會產生一定量的諧波。這類設備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網諧波源中不可忽視的因素。

2 諧波與電容補償?shù)年P系及具體事例分析

諧波問題是**電力行業(yè)普通存在的問題，各個國家投入大量資金進行研究和治理。我國涉足這個領域時間尚短，經驗和認知程度不足，必然造成不小的浪費。近幾年對某公司的電 源設備進行了追蹤檢測，**的一些數(shù)據(jù)也說明了一些問題。以下是對一個配電機房進行了一次諧波測試，測試結果如表 1。

表1







由以上測試數(shù)據(jù)可知，此次測試的六個配電室中除 4 配電室，均含有較大量的諧波。

為了切實查清諧波對電容器的影響，分四次每次投入60kVAr 分別又重新做了一次電容器分步投切與諧波的影響測試：電流總畸變率(THD%r)由沒有投入電容器時的 4.8%(L2 相)增加到投入四路電容器(240kVAr)時的 41.4%，其中 11 次諧波由 1.3%增加到 39.0%。出現(xiàn)這種情況是由于感性的系統(tǒng)阻抗和電容器在 11 次諧波頻率附近發(fā)生了諧振，從而導致進入電容器組和變壓器的諧波電流急劇增加。諧波電流對變壓器及其所帶負荷，均有較大的危害。當電容器從 0kvar 分步投入到 240kvar，而負荷電流(Arms)由724A下降到605A，功率因數(shù)Cos由0.75提高到0.96。功率因數(shù)(PF 值)，從0.75提高到0.87;但是從投入180kvar 和240kvar數(shù)據(jù)對比來看，當投入240kvar后，相對于180kvar時，系統(tǒng)感性無功功率不減反增，從192.2kvar增加到204.9kvar，視在功率從20.4kva增加到427.5kva;說明了由于系統(tǒng)中的諧波產生的失真功率**過了了補償?shù)南到y(tǒng)無功容量，并使得功率因數(shù) pf，從0.89下降到0.88，導致了系統(tǒng)無功補償?shù)氖?。降低了變壓器利用率，額外造成了能耗的增加。

3 諧波在配網中的危害及具體事例分析

3.1 對變壓器的影響

當諧波電流和基波電流一同流經變壓器繞組時，由于高頻率的諧波會對變壓器發(fā)生嚴重飽和，使變壓器的激磁電流和諧 波電流大增，變壓器的銅損和雜散磁通損耗變大，可能會出現(xiàn)變壓器噪音變大，變壓器達不到額定負荷輸出，情況嚴重的可能會導致變壓器出線局部過熱破壞絕緣，從而危害配電室和電網的安全運行。

3.2 對電容器的影響

由于電容器的容抗與頻率成反比，當頻率越高時，電容器的容抗越低，因而諧波會更多的通過電容器，從而造成電容器的過載而損壞。另外系統(tǒng)中的高次諧波有可能使電容器產生諧振，產生較高的諧振過電壓而損壞電容器，甚至導致電容器漏液、著火及至爆炸，有可能會影響整個配電室的供電。

3.3 對其它電力設備的影響

由于諧波在這些設備上產生明顯的集膚效應使得發(fā)電機等鐵磁設備損耗明顯變大，產生過熱，絕緣提前老化發(fā)電機出力明顯不足，過熱，噪音大，振動大等;同時電纜產生過熱，絕緣提前老化。諧波對電網負擔的加重，由于非線性負載通常功率因數(shù)較低，造成：無功功率變大;電流有效值變大;電網的可用容量下降;電網的品質變壞，波形失真，頻率改變等。電能表是評價電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費的憑證，而諧波可能使電能計量產生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動，保護誤動和拒動的重要因素。

3.4 繼電保護和自動裝置的影響

對于由電壓或電流信號啟動動作的繼電器或啟動元件，當基波動作量并未達到整定值時，由于較大的諧波量和基波量疊加后的綜合量**過動作值。當電壓和電流繼電器或元件配合差 動電路、零序電路或負序電路，構成差動、零序或負序繼電器啟動元件時，則對諧波影響都很小。因為這些電路輸出的基波量都很小，相應的元件的整定值都很低，所以輸出量的諧波含有率有可能很高，諧波量在動作量中的比重有可能很高。

3.5 諧波對高壓柜電壓互感器影響

某地的高壓成套設備，電壓互感器是鐵芯外露的半封閉結構，正常運行中燒壞一臺。后將 PT 返廠解剖分析并對環(huán)氧樹脂進行理化試驗所得：

(1)擊穿點靠近鐵芯處偏上部，經查看該處絕緣良好，未發(fā)現(xiàn) PT內部有澆注缺陷。一次線圈燒壞，鐵芯內部有發(fā)黑現(xiàn)象，從現(xiàn)象看有發(fā)熱跡象。

(2) 理化試驗數(shù)據(jù)所得符合E-39D環(huán)氧固化體系標準的要求。

(3) 生產廠家認為PT的擊穿原因可能是系統(tǒng)中含有高次諧波，過電壓作用因積累效應造成勵磁電流激增，鐵芯飽和，兩者相互作用形成惡性循環(huán)，嚴重發(fā)熱致使 PT 燒壞。

現(xiàn)場變壓器檢測結果與數(shù)據(jù)分析如表 2

表2







由于大量非線性負載(UPS、機房空調設備等)的使用，大量諧波注入系統(tǒng)，電壓電流畸變明顯，諧波污染將造成不必要的能源損耗，縮短設備使用壽命，使系統(tǒng)安全性降低，設備準確度下降，使得保護裝置誤動作，損毀供電設備及用電設備，還會造成數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生故障甚至數(shù)據(jù)丟失，存在安全隱患。因此應對各變壓器低壓主饋電回路使用有源濾波器對諧波進行治理。

4 諧波治理措施的分析與比較

根據(jù)技術原理的不同，諧波治理的解決方案有多種，應用有源電力濾波器進行諧波治理，因其動態(tài)濾波能力，濾波效果等優(yōu)勢，被越來越廣泛地應用，是諧波治理的技術發(fā)展方向。下面對不同的諧波治理技術做簡要的分析和比較。

1.1 傳統(tǒng)的諧波治理方式

(1) 變大供電容量。這是一種原始的方法，當諧波問題影響到電力系統(tǒng)時，就變大供電系統(tǒng)的容量。例如: 變大變壓器或發(fā)電機容量，以求系統(tǒng)能夠忍受諧波帶來的種種問題;當諧波 問題出現(xiàn)在電纜傳輸過程中，就變大電纜的橫截面，以減少集膚效應的影響。無疑地，這是一種既昂貴又消較的辦法，昂貴就貴在了每變大1KVA 的供電能力，就要支付大約 1000元~1200元人民幣的投資，要變大幾百KVA，其價格就要增加幾拾萬元人民幣;消較方面是說這種辦法根本沒有解決諧波的客觀存在，僅僅是把諧波的影響降低到盡可能小的程度，一旦負載容量變大，諧波問題又會再次涌現(xiàn)出來。

(2)采用特殊的變壓器變換。例如采用?/Yno 的方法可以治理三次和3n次諧波對電網的注入;采用?/Y+?/?移相式變壓器可治理整流器中的5次、7次諧波;采用K-13特殊變壓器還可以同時治理 3~17次諧波對電網的注入。這種方式的一次性投資都比較大，而且由于特殊變壓器串聯(lián)在電網與負載之間，形成了附加阻抗，降低了電網的實際帶載能力;當負載發(fā)生較大增容時也受到了一定的限制，其結果會使剩余次諧波所產生的電壓失真度也變大了。

(3) 雙橋或多橋式整流器。工業(yè)生產中可控硅整流器是一種常見的變流設備，三相全控橋式整流又是應用普通的設備，然而也是諧波含量較高的設備，在一些有色金屬冶煉中，為了減少諧波對電網的影響，往往采用 12 脈沖整流器，甚至 24 脈沖整流器，雖然諧波電流得以治理，但一次性投資仍然很大，并且由于采用的功率電路復雜，設備的可靠性相對降低，對工業(yè)生產是有消較作用的。

(4) 無源濾波器。這是應用較廣泛的諧波治理手段。它是按照希望治理的諧波次數(shù)專門量身定造的，采用電感電容的調諧原理，將高次諧波陷落在濾波器中，以減少對電網的注入。但 是這種濾波器對于負載諧波頻譜發(fā)生變化時，就顯得軟弱無力了。在采用發(fā)電機組供電的場合，這種濾波器的啟動電流又很大，呈容性負載，往往使發(fā)電機組難以承受;如果是多臺濾波器 并聯(lián)使用或補償?shù)臒o功功率與負載的需求不一致，還可能造成供電系統(tǒng)的諧振現(xiàn)象。

(5)串聯(lián)電抗器。串聯(lián)電抗器對平滑諧波電流具有一定的作用，并且電路簡單，制造成本低，往往應用在整流器之前，例如：變頻調速器，調光器等。但由于其阻抗較高，損耗較大，因此其治理諧波的作用受到限制。通常只能使電流失真度(THDI)降低50%左右。

4.2 傳統(tǒng)的諧波治理方式的特點

傳統(tǒng)的諧波治理方式雖然能在一定程度上解決了諧波對電網注入的問題，但普遍存在著效果不理想的情況，主要表現(xiàn)在:

(1)諧波頻譜的適應范圍較小，大多是針對某一次或某幾次諧波進行治理，如果負載是一個寬頻譜或頻譜發(fā)生變化時，就很難獲得理想的效果。

(2)適應負載特性的能力較差，如果負載是一個頻繁變化的特性，或是負載系統(tǒng)是由眾多的不同特性的設備群組成的，則上述這些治理方式均受到局限。

(3)效率低也是上述治理方式的局限性, 不論是串聯(lián)電抗器還是變壓器變換或者是低通濾波，這些功率器件本身都存 在著阻抗，會產生一定的附加損耗，其結果不是設備方面的效率降低(大約 2~3%)，就是供電系統(tǒng)的帶載能力降低。

(4)治理的效果仍然不夠理想，作為衡量治理效果的指標就是總諧波電流失真度的衰減率(THDI Attenuation Ratio)，通常對某一次或某幾次諧波可能有 5~8 倍的衰減，而對總諧波失真度一般僅能達到 2~3 倍。

(5)過載能力較差，使負載電流變大受到約束。

(6)基波頻率不能改變，例如：50Hz變?yōu)?0Hz。

(7)系統(tǒng)阻抗變化時有共振的危險。

(8)整體尺寸、重量、造價都是不可忽略的因素。

4.3 有源電力濾波器

與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可治理閃變、補償無功，有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波。

5 安科瑞諧波治理產品選型

5.1安科瑞ANAPF系列有源電力濾波器介紹

有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠對動態(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。其原理為：ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統(tǒng)諧波電流，經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。







圖5-1

5.2安科瑞有源電力濾波器選型

立柜式







備注：具體尺寸按報價方案為準。

模塊化







6 配電網諧波治理的對策

既然諧波存在多方面的危害，采取必要的手段，避免或補償已產生的諧波，就顯得尤為重要?？蓺w納以下治理措施：

(1)加強標準和相應規(guī)范的宣傳貫徹。IEC 6100 以及標準GB/T14549-1993，對于諧波定義、測量等進行了宣傳，明確諧波治理是一項互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網和設備安全穩(wěn) 定運行的舉措。

(2)主管部門對所轄電網進行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料;在諧波產生起伏較大的地方，可設置長期觀察點，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求;對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產生了**標的諧波污染。

(3)針對諧波的產生和傳播的特點，采取相應的隔離、補償和減小措施。在配電網中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎上，通過適當加裝濾波設備來減小諧波注入電網。對于各種電氣設備的設計者，在設計初始，就要考慮其設備的諧波污染度，將諧波限在標準允許的范圍內。

(4)加強管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門，要調動電力供需環(huán)節(jié)中的各個方面，在分清諧波來源基礎上，走共同治理之路。


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