吳 俊，謝 丹

（1.無(wú)錫供電公司，江蘇 無(wú)錫214101；2.江陰供電公司,江蘇 江陰214000）

近年來(lái)，諧波污染被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，它嚴(yán)重影響了電力設(shè)施和用電設(shè)備的安全，阻礙了電力電網(wǎng)設(shè)施的可靠、高效運(yùn)行。對(duì)諧波污染的監(jiān)測(cè)和分析，越來(lái)越成為該領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注課題。對(duì)諧波污染的有效監(jiān)測(cè)和治理，不僅能夠提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和節(jié)能降耗，而且關(guān)系到國(guó)民用電安全問(wèn)題。

1諧波污染及其危害

諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，因此又稱其為高次諧波[1]。電網(wǎng)中還存在一些頻率不是基波頻率整數(shù)倍的正弦分量，這些分量稱為分?jǐn)?shù)次諧波和間諧波。低于工頻的間諧波又稱為次諧波，但電網(wǎng)中主要存在的還是高次諧波。電力系統(tǒng)中能產(chǎn)生諧波的設(shè)備即為諧波源。電力網(wǎng)諧波主要來(lái)自于3個(gè)方面：一是發(fā)電電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波[2-4]。其中，用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波包括各種換流裝置、電子電壓調(diào)整設(shè)備、電弧爐、感應(yīng)爐以及現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備為節(jié)能和控制使用的各種電力電子設(shè)備，還有多種家用電器和照明設(shè)備等，都是電網(wǎng)主要的諧波源。

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，負(fù)荷的急劇增加，電力裝置帶來(lái)的諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成潛在的威脅，給周圍環(huán)境帶來(lái)了極大的影響。越來(lái)越多的電力電子設(shè)備、家用電子電器、電弧放電性負(fù)載、氣體放電燈和其他非線性用電負(fù)載投入使用，致使大量高次諧波電流涌入各級(jí)電網(wǎng)，引起電網(wǎng)的電壓正弦波形嚴(yán)重畸變、三相電壓不對(duì)稱及電壓的波動(dòng)和閃變，損壞發(fā)、變電設(shè)備和用電設(shè)備，危及電網(wǎng)安全運(yùn)行。因此，諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害，嚴(yán)重阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展[5，6]，且對(duì)電力系統(tǒng)諧波的研究也逐漸被人們重視。我國(guó)于1993年制定并頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 14549-93），其主要內(nèi)容是規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及測(cè)試方法。該標(biāo)準(zhǔn)適用于交流額定頻率為50 Hz、標(biāo)稱電壓≤110 kV的公用電網(wǎng)。我國(guó)公用電網(wǎng)諧波電壓限制如表1所示。

表1 我國(guó)公用電網(wǎng)諧波電壓限制

2無(wú)錫市電網(wǎng)諧波現(xiàn)狀分析

2.1無(wú)錫市電網(wǎng)基本情況介紹

位于太湖之濱、運(yùn)河之畔的無(wú)錫供電公司隸屬江蘇省電力公司，擔(dān)負(fù)著無(wú)錫市所轄二市（江陰、宜興）七區(qū)的供電任務(wù)。截止2009年底，無(wú)錫電網(wǎng)35kV及以上變電站289座，電網(wǎng)總?cè)萘?5809.4 MV·A。其中4座500kV變電站，9臺(tái)主變，變電容量為7 500 MV·A；46座220 kV變電站，85臺(tái)主變，變電容量為14 580 MV·A。無(wú)錫電網(wǎng)還包括 21條 500 kV線路、124條 220 kV線路、283條 110 kV線路、273條35 kV線路。

2.2無(wú)錫市電網(wǎng)諧波測(cè)試實(shí)驗(yàn)

選擇無(wú)錫市為研究樣區(qū)，挑選該市管轄的20個(gè)主要用電單位進(jìn)行電能質(zhì)量測(cè)試，研究無(wú)錫市電網(wǎng)諧波污染的主要情況。用電單位的選擇，顧及了無(wú)錫市大型企業(yè)和中小型用電企業(yè)的比例，以及各類型用電單位在城市空間的均勻分布，從歷年檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，該20個(gè)主要用電單位，基本可以代表無(wú)錫電網(wǎng)諧波污染狀況的總體現(xiàn)狀。

測(cè)試選用的儀器為FLUKE1760三相電能質(zhì)量測(cè)試儀，其基本測(cè)試參數(shù)如下：（1）電能質(zhì)量統(tǒng)計(jì)符合EN50160標(biāo)準(zhǔn)和DISDIP表；（2）不間斷記錄電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、視在功率、功率因數(shù)、閃變、失衡、頻率、諧波/間諧波參數(shù)等指標(biāo)的RMS值及相應(yīng)的最小值和最大值。（3）諧波和間諧波的基本累積時(shí)間為200 ms，示波器所有8個(gè)通道的采樣率均為10.24 kHz，通道1至通道4快速瞬態(tài)FFT的采樣率選擇范圍為100 kHz～10 MHz。因此，F(xiàn)LUKE 1760能完全勝任當(dāng)前的諧波檢測(cè)，并給出分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印。

測(cè)試涉及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有：GB/T 12325—2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》；GB 12326—2000《電能質(zhì)量電壓波動(dòng)和閃變》；GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》；GB/T 15495—1995《電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差》和GB/T 15543—1995《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》。

諧波監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有：（1）諧波情況的普查。測(cè)量電網(wǎng)中的諧波電壓、電流和諧波潮流及其方向，以查明諧波源，為采取措施、控制電網(wǎng)諧波含量提供依據(jù)。（2）諧波監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。在電網(wǎng)中諧波源或其他諧波畸變嚴(yán)重的連接點(diǎn)上設(shè)置諧波警報(bào)器或諧波電流、電壓表，監(jiān)視該點(diǎn)諧波變化情況，以便及時(shí)采取限制措施。（3）新的諧波源負(fù)荷接入電網(wǎng)時(shí)的檢測(cè)。在諧波源負(fù)荷接人電網(wǎng)前后，均應(yīng)進(jìn)行諧波測(cè)量，以便為研究諧波源接入電網(wǎng)需要采取的措施提供依據(jù)，檢查諧波源接入電網(wǎng)后其諧波含量是否超過(guò)允許值。（4）諧波事故分析。在電網(wǎng)或電氣設(shè)備出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，要進(jìn)行諧波檢測(cè)分析，如屬諧波（特別要注意諧振和放大）造成的故障，則應(yīng)采取措施，予以消除。無(wú)錫市20個(gè)單位電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果如表2所示。以上測(cè)試均為折算至一次側(cè)的值，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的評(píng)斷依據(jù)測(cè)試涉及的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，諧波、短時(shí)間電壓閃變、三相電壓不平衡度的測(cè)量結(jié)果以95%概率值作為判斷是否合格的依據(jù)，短時(shí)三相電壓不平衡度、長(zhǎng)時(shí)間電壓閃變的測(cè)量結(jié)果以最大值作為判斷是否合格的依據(jù)。由表2可知，在測(cè)試范圍內(nèi)，所有單位的諧波電壓、電壓頻率、電壓偏差允許值指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電壓短閃變、電壓長(zhǎng)閃變和三相不平衡度指標(biāo)均有1至2家單位超標(biāo)，但無(wú)錫市主要用電企業(yè)在以上指標(biāo)的表現(xiàn)總體良好，關(guān)鍵問(wèn)題是在諧波電流指標(biāo)上，20家單位有8家出現(xiàn)超標(biāo)情況，其中以5次和7次諧波污染較為嚴(yán)重。

3諧波防治措施探討

隨著電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的惡化和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量越來(lái)越高的要求，公用電網(wǎng)諧波污染已引起了有關(guān)部門的廣泛關(guān)注，電力系統(tǒng)諧波的監(jiān)測(cè)、控制和抑制對(duì)策已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題。在電力系統(tǒng)中對(duì)諧波的抑制就是如何減少注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)。電力諧波的抑制或減緩措施通?？煞譃轭A(yù)防性和補(bǔ)償性2種。

表2 無(wú)錫市20個(gè)單位電能質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

（1）電力變壓器等供電設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、配置等方面采取減少諧波。電力變壓器通過(guò)其繞組的巧妙連接，可減少某些次數(shù)的諧波。如三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線可消除3次及其倍數(shù)次諧波。這也是抑制高次諧波最基本的方法。

（2）整流裝置是電網(wǎng)中的主要諧波源，通過(guò)增加整流器的脈動(dòng)數(shù)或采用可控整流來(lái)限制電力諧波的方法最為有效。它的特征諧波電流次數(shù)與脈動(dòng)數(shù)有關(guān)，一系列次數(shù)較低、幅度較大的諧波得到消除，諧波源產(chǎn)生的諧波電流將減少。

（3）隨著全控器件的推廣應(yīng)用，基于脈寬調(diào)制法（PWM）控制技術(shù)整流器得以實(shí)用化。采用PWM在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。

（4）在諧波源處就近使用濾波裝置是國(guó)內(nèi)限制諧波超標(biāo)的主要方法之一。濾波裝置分為無(wú)源濾波、有源濾波和混合型濾波裝置等，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇濾波方式。

4諧波治理實(shí)例

接到營(yíng)銷部?jī)?yōu)質(zhì)服務(wù)專職反映東風(fēng)苑居民投訴照明閃爍，電壓不穩(wěn)情況，首先對(duì)用戶進(jìn)行諧波測(cè)試，發(fā)現(xiàn)2次、3次、5次諧波含量過(guò)大，經(jīng)過(guò)供電線路運(yùn)行方式查詢，發(fā)現(xiàn)220 kV新光變110 kV線路光廠線有無(wú)錫鋼廠運(yùn)行，考慮到鋼廠電弧爐作為非線性及無(wú)規(guī)律負(fù)荷接入電網(wǎng)，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他負(fù)荷產(chǎn)生一系列的不良影響，主要產(chǎn)生高次諧波，其中普遍存在如2次、4次偶次諧波與3次、5次、7次等奇次諧波共存的狀況，因此對(duì)無(wú)錫鋼鐵廠110 kV光廠線進(jìn)行24 h諧波監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該鋼廠2次、3次、5次諧波數(shù)據(jù)不合格，含量過(guò)大。可以判斷居民用戶照明閃爍、電壓不穩(wěn)是由于該鋼廠使用電弧爐造成諧波含量超標(biāo)引起的。

電弧爐由于接觸不良、電氣連接松動(dòng)或電刷老舊污穢，會(huì)在工作中引起閃變，并會(huì)通過(guò)設(shè)備線路擴(kuò)散，影響到整個(gè)系統(tǒng)。閃變也是諧波污染的重要原因之一，因此對(duì)鋼廠長(zhǎng)時(shí)間閃變、短時(shí)間閃變進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 長(zhǎng)閃和短閃統(tǒng)計(jì)報(bào)表

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)時(shí)間閃變標(biāo)準(zhǔn)值為0.6，短時(shí)間閃變標(biāo)準(zhǔn)值為0.8，從表3可知，該鋼廠長(zhǎng)時(shí)間閃變最大值為4.58，是標(biāo)準(zhǔn)值的7至8倍，短時(shí)間閃變最大值為7.5，是標(biāo)準(zhǔn)值的9至10倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求，是造成諧波污染的重要原因。

通過(guò)對(duì)無(wú)錫鋼鐵廠產(chǎn)生諧波污染原因進(jìn)行分析，提出以下幾點(diǎn)抑制電弧爐諧波污染的方案。

（1）利用超高速凈化裝置（TVSS）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。TVSS是以高速CPU為核心的智能檢測(cè)調(diào)控系統(tǒng)模塊和優(yōu)化的監(jiān)控軟件，以ns級(jí)的速度動(dòng)態(tài)檢測(cè)供電系統(tǒng)的電壓、電流沖擊和浪涌等參數(shù)，能動(dòng)態(tài)響應(yīng)和調(diào)整抑制模塊參數(shù)，配合超高響應(yīng)頻率的閃變抑制元件，該裝置在監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊和浪涌的幾個(gè)ns后將沖擊和浪涌阻斷在電爐變壓器外，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)幾乎不被污染，并減少?zèng)_擊和浪涌阻在變壓器等元件上造成的損失。該裝置投入費(fèi)用低，不需要維護(hù)費(fèi)用，但無(wú)法提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

（2）合理裝設(shè)無(wú)源交流濾波器（FC）。這種途徑是現(xiàn)階段最常見(jiàn)、最實(shí)用、也是最有效的抑制高次諧波的措施。無(wú)源濾波裝置是由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成，運(yùn)行中它和諧波源并聯(lián)。除作濾波外，兼作無(wú)功補(bǔ)償。濾波裝置通常包括數(shù)組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器。常用于工程實(shí)際的濾波器種類有：各階次單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、二階寬頻帶與三階寬頻帶高通濾波器等。單調(diào)諧濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是電能損耗比較大，但隨著品質(zhì)因數(shù)的提高而減少，同時(shí)又隨諧波次數(shù)的減少而增加。高通(寬頻帶)濾波器，一般用于某次及以上次的諧波抑制，即可以通過(guò)參數(shù)調(diào)整，形成該濾波器回路對(duì)某次及以上次諧波形成低阻抗通路。通常推薦存在諧波污染的企業(yè)，通過(guò)此途徑解決諧波污染問(wèn)題。

（3）利用靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。SVC是一種快速調(diào)節(jié)無(wú)功功率的裝置，一般由并聯(lián)的感性和容性兩大回路構(gòu)成，其中至少一個(gè)回路為動(dòng)態(tài)回路，即能根據(jù)補(bǔ)償要求快速變化其無(wú)功功率的回路。依據(jù)構(gòu)成動(dòng)態(tài)回路的不同方式，目前主要有3種形式的SVC：晶閘管投切的電容器；晶閘管控制的電抗器和自飽和電抗器。雖然其諧波污染治理能力較強(qiáng)，但其初期投入和后期維護(hù)費(fèi)用過(guò)高，影響企業(yè)生產(chǎn)成本。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，負(fù)荷的急劇增加，電力裝置帶來(lái)的諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成潛在威脅，給周圍環(huán)境帶來(lái)了極大影響，如何減低諧波污染，提高電能質(zhì)量，已成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的課題。從無(wú)錫市20家主要企業(yè)電網(wǎng)諧波測(cè)試實(shí)驗(yàn)可知，無(wú)錫市部分主要用電企業(yè)存在不同程度的諧波污染問(wèn)題。該問(wèn)題的有效治理需要從技術(shù)方面和管理方面共同解決。

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