周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害和治理措施

周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

闡述了電力網(wǎng)絡(luò)諧波的研究現(xiàn)狀，介紹了諧波在電力網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，指出了非線性負(fù)載是主要諧波源，分析了諧波對(duì)電力用戶的危害性，并提出了多種諧波治理措施，為實(shí)際生產(chǎn)解決諧波問題提供了方法。

電力網(wǎng)絡(luò)；諧波；危害性；治理措施

0 電力網(wǎng)絡(luò)諧波研究現(xiàn)狀介紹

上個(gè)世紀(jì)二三十年代，德國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)靜止變流器會(huì)導(dǎo)致電壓電流的變化，提出了電力網(wǎng)絡(luò)諧波的概念。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用，諧波問題就愈顯突出，科研人員越來(lái)越重視對(duì)諧波治理和抑制的研究。

我國(guó)自上世紀(jì)80年代開始研究諧波問題，經(jīng)過(guò)多年的努力，現(xiàn)已接近國(guó)際水平。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值；GB 17625.1—1998《低壓電氣電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值》規(guī)定了電氣(電子)設(shè)備送出的諧波電流限值。

1 電力網(wǎng)絡(luò)的諧波

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電、輸電、變電、用電等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波。一般在發(fā)電環(huán)節(jié)對(duì)發(fā)電機(jī)的接線進(jìn)行改進(jìn)，可使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓基本上不含諧波分量。

1.1 諧波的分類

在電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波一般分為：穩(wěn)定的諧波和變化的諧波。

1.1.1 穩(wěn)定的諧波

由視頻設(shè)備和常用儀表等產(chǎn)生的諧波稱為穩(wěn)定的諧波，其大小不隨著時(shí)間的變化而變化。

1.1.2 變化的諧波

由現(xiàn)代電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波稱為變化的諧波，其大小隨著時(shí)間的變化而變化。

1.2 主要諧波源

在電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波常由非線性負(fù)載產(chǎn)生。

1.2.1 非線性負(fù)載的類型

非線性負(fù)載是電力網(wǎng)絡(luò)的主要諧波源，主要有：(1) 變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、工業(yè)電爐等；(2) 在生產(chǎn)中應(yīng)用的電力電子裝置、電源、晶閘管設(shè)備等。其中，晶閘管設(shè)備包括整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備；交流變直流的整流器用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流穩(wěn)壓電源、充電器、高壓直流輸電等。

1.2.2 非線性負(fù)載的特點(diǎn)

非線性負(fù)載的特點(diǎn)是加到非線性負(fù)載上的電壓呈正弦交變，但流過(guò)的電流卻是非正弦量。這是因?yàn)榇穗娏饔晒ゎl電流和諧波電流組成，如果諧波含量太高，就會(huì)使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。

1.3 不同行業(yè)的諧波含量分布

不同行業(yè)的諧波含量分布如表1所示。

表1 不同行業(yè)的諧波含量分布

目前，供電線路上的主要諧波源是現(xiàn)代電力電子設(shè)備，其諧波含量較高。

2 電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害

2.1 增大設(shè)備的有功功率損耗

諧波的危害體現(xiàn)在發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的有功功率損耗增大，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備的輸出功率。

2.1.1 增大電機(jī)損耗

電網(wǎng)電源存在高次諧波分量時(shí)，導(dǎo)體的等值阻抗增大，電機(jī)的有功功率損耗也會(huì)增大。

2.1.2 增大變壓器損耗

電網(wǎng)存在諧波時(shí)，變壓器作“△”連接時(shí)，諧波會(huì)在變壓器線圈中形成環(huán)流，導(dǎo)致變壓器有功功率損耗顯著增大；變壓器作“Y”連接時(shí)，在諧振的情況下，負(fù)載等效于高阻抗，導(dǎo)致變壓器的鐵損和銅損增大。

2.1.3 增大輸電線路損耗

對(duì)輸電線路而言，諧波會(huì)大大增加輸電線路的有功損耗。當(dāng)電路中存在電感和電容時(shí)，某一頻率下，電路會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振；當(dāng)線路等值電路中存在分布電感和對(duì)地電容時(shí)，在諧波源作用下，電路發(fā)生諧振的可能性增大。在架空線路中，架空線路對(duì)地電容約為電纜線路對(duì)地電容的1/20—1/10，因此電纜線路容易出現(xiàn)諧波諧振和諧波電流放大，造成電氣設(shè)備的絕緣擊穿。

2.2 引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作

為了保證設(shè)備的靈敏度，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的整定值較小，有的動(dòng)作值是以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，對(duì)諧波十分敏感。因此，諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響就會(huì)比較嚴(yán)重，有可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

2.3 增大計(jì)量?jī)x器的計(jì)量誤差

當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)中含有諧波分量時(shí)，感應(yīng)式電度表就不能正常工作(電度表是按工頻電流設(shè)計(jì))。諧波源用戶會(huì)少交電費(fèi)，電表計(jì)量的是：用戶消耗的基波電能-諧波電能；無(wú)諧波源用戶會(huì)多交電費(fèi)，電表計(jì)量的是：用戶消耗的電能+諧波電能。

2.4 影響通信線路的正常工作

輸電線路上流過(guò)有效值較高的低頻諧波電流(奇數(shù)次)，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會(huì)在靠近輸電線路的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，造成通信線路不能正常工作，影響通話的清晰度。

2.5 干擾用電設(shè)備的正常工作

諧波會(huì)導(dǎo)致變形的圖像出現(xiàn)在電視機(jī)屏幕上，造成計(jì)算機(jī)圖像畸變，屏幕亮度改變，還會(huì)導(dǎo)致電視機(jī)、電腦過(guò)熱和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出錯(cuò)。

3 電力網(wǎng)絡(luò)諧波治理措施

目前，電力網(wǎng)絡(luò)諧波的治理措施主要有3種：

(1) 受端治理，即增強(qiáng)無(wú)諧波源用戶的抗干擾能力；

(2) 主動(dòng)治理，即抑制諧波源，使其盡量不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波；

(3) 被動(dòng)治理，即在用戶側(cè)安裝濾波器，將諧波電流拒之門外。

3.1 受端治理

3.1.1 使用較大短路容量的變壓器

在配電網(wǎng)絡(luò)中，使用較大短路容量的變壓器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變壓器短路容量大于諧波源的變壓器的容量20倍時(shí)，諧波源產(chǎn)生的諧波對(duì)電力網(wǎng)的安全運(yùn)行就不會(huì)產(chǎn)生威脅，諧波電壓和諧波電流也不會(huì)超過(guò)規(guī)定值。

3.1.2 避免電容器放大諧波

(1) 選擇合適的電容器安裝地點(diǎn)，可有效避免電容器與電源感抗之間并聯(lián)諧振的產(chǎn)生，因?yàn)殡娙萜靼惭b地點(diǎn)與電源間的阻抗不同，諧振頻率也會(huì)不一樣。

(2) 調(diào)整與電容器相串聯(lián)的電抗器，改變系統(tǒng)阻抗。

(3) 降低電容器的容量，以降低對(duì)諧波電流的影響。

(4) 將某些電容器組改為濾波器。

3.1.3 抑制變壓器諧波

(1) 變壓器某側(cè)作“△”連接，不會(huì)出現(xiàn)3次及3的倍數(shù)次諧波。

(2) 空載變壓器要及時(shí)停運(yùn)，選用帶負(fù)荷調(diào)壓器，盡量避免變壓器過(guò)勵(lì)磁。

3.1.4 采用先進(jìn)的抗諧波裝置

采用先進(jìn)的抗諧波裝置，提高用電設(shè)備的抗諧波干擾能力，使其在一定諧波環(huán)境下也能正常工作，不受影響。

3.2 主動(dòng)治理

3.2.1 增加整流裝置脈動(dòng)數(shù)

其中：h為整流裝置產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)；p為脈動(dòng)次數(shù)。

由式(1)可知：當(dāng)脈動(dòng)次數(shù)增加時(shí)，諧波電流次數(shù)也增大。因此，增加整流裝置脈動(dòng)數(shù)，可以消除一些次數(shù)較低、幅值較大的諧波。

3.2.2 關(guān)注產(chǎn)生諧波的裝置設(shè)備和生產(chǎn)方式

適當(dāng)分散或交替使用具有諧波互補(bǔ)性的裝置設(shè)備，適當(dāng)限制能產(chǎn)生大量諧波的工作方式。

3.2.3 聯(lián)合使用多個(gè)變流器

聯(lián)合使用多個(gè)變流器，疊加多個(gè)變流器輸出的方波，可消除頻率較低的諧波，使輸出的波形接近于正弦波。

3.2.4 疊加注入諧波

將諧波源產(chǎn)生3的倍數(shù)次諧波與矩形波相疊加，可以抵消某些諧波。

3.3 被動(dòng)治理

3.3.1 采用LC濾波器

LC濾波器是由電容、電感和電阻按照一定比例配置而成的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用戶投入少、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的濾波方法。

3.3.2 采用有源濾波器

有源濾波器可補(bǔ)償諧波，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤功能，還可以補(bǔ)償無(wú)功功率，在生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用，具有較好的前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

電力網(wǎng)絡(luò)要安全穩(wěn)定運(yùn)行，首先要保證用戶的電能質(zhì)量不受諧波干擾。但現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，給電力網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)重的諧波污染。根據(jù)諧波研究現(xiàn)狀，介紹了電力網(wǎng)絡(luò)諧波源及其諧波的危害性，提出了諧波治理措施，為實(shí)際生產(chǎn)解決諧波問題提供了方法，具有一定的實(shí)用推廣價(jià)值。

2016-11-29。

周欒愛(1973—)，女，維修電工技師、講師，主要從事電力系統(tǒng)及自動(dòng)化研究，email：zhouluanai@126.com。