茅 靖 方健美

（1. 國網(wǎng)寧波慈溪供電公司，浙江 慈溪 315000；2. 浙江東禾工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315040）

低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及治理設(shè)計(jì)方法

茅 靖1方健美2

（1. 國網(wǎng)寧波慈溪供電公司，浙江 慈溪 315000；2. 浙江東禾工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315040）

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負(fù)荷應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益加重，因此諧波治理已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文主要闡述了諧波污染及其危害，諧波治理及其抑制的方法，并對(duì)產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備做了具體的分析。

電能質(zhì)量；諧波危害；諧波抑制治理；設(shè)計(jì)方法；容量計(jì)算

一個(gè)理想的電力系統(tǒng)應(yīng)該具備一個(gè)恒定的頻率和恒定的正弦波形，并按照特定的電壓標(biāo)準(zhǔn)向電網(wǎng)及電力用戶提供相對(duì)比較理想的電源。電能質(zhì)量一般由電源的頻率、電源的幅值和電源的波形畸變來體現(xiàn)。

發(fā)電廠調(diào)節(jié)并控制電力系統(tǒng)的振幅和頻率，非線性負(fù)荷引起波形畸變。對(duì)于電阻，電阻加熱絲，磁感應(yīng)，白熾燈等這些傳統(tǒng)線性負(fù)荷，其電流波形為正常的正弦波。而對(duì)于家用視聽設(shè)備、電氣設(shè)備、焊接設(shè)備、通信設(shè)備、充電電氣設(shè)備、不間斷電源等這些非線性負(fù)荷，其電流波形為非正常的正弦波。由于電網(wǎng)及電力用戶中存在著這些非線性負(fù)荷，導(dǎo)致了大量諧波的產(chǎn)生，而大量諧波的產(chǎn)生不僅危害著電能質(zhì)量，而且危害著電力用戶。諧波的存在使得電網(wǎng)電壓降低，線路損耗增加，造成電網(wǎng)容量的浪費(fèi)；諧波的存在使得設(shè)備的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致各類自動(dòng)及保護(hù)裝置誤動(dòng)作；諧波的存在使得電動(dòng)機(jī)效率降低，增大了電動(dòng)機(jī)的工作噪聲；諧波的存在使得電力變壓器的鐵損及銅損增加，影響著電力變壓器的使用效率，縮短了電力變壓器的使用壽命；因此諧波的治理刻不容緩。

1 諧波的表示方法

諧波失真研究的一種有效方法為傅里葉分解，可以通過傅里葉分解的方法分析各組成部分的畸變波形，即

式中，A0為直流分量； A1s in(h ω0t +?1)為基波分量；Ahsin(h ω0t+?h)為第h次諧波分量。

諧波畸變的度量采用總諧波畸變表示，分為電

壓畸變率和電流畸變率。

（Uh為第h次電壓諧波有效值）

（Ih為第h次電流諧波有效值）

單次諧波畸變采用單次諧波含有率表示：

單次電壓含有率為

單次電流含有率為

2 產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備

產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備、電子設(shè)備在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如：中頻電爐、超聲波裝置、家用視聽設(shè)備等，這些電氣設(shè)備具有明顯的非線性特性，工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓，若此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值，則將會(huì)危害電力用戶和電網(wǎng)。

1）空調(diào)機(jī)電氣設(shè)備。空調(diào)機(jī)電氣設(shè)備功率較大，每臺(tái)功率 500W到數(shù)千瓦不等，根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果表明：空調(diào)機(jī)諧波電流的大小隨著工作狀態(tài)的變化而變化，制熱狀態(tài)下THDI%在22%～34%區(qū)間；制冷狀態(tài)下在 20%～27%區(qū)間；只開風(fēng)扇未制熱制冷狀態(tài)下在6%～9%區(qū)間，在此工作狀態(tài)下以2～17次諧波為主?？梢?，無論是制熱還是制冷工作狀態(tài)下，THDI都不是很小，甚至有可能還比較大。

2）電池充電器等電氣設(shè)備。用于各種對(duì)充電電池充電的裝置均可稱之為電池充電器，此類電氣設(shè)備的諧波含有率取決于電池的數(shù)量和容量。隨著全球氣候變暖、資源枯竭以及在國家節(jié)能減排的優(yōu)惠政策的驅(qū)動(dòng)下，屬于新能源行列的電動(dòng)汽車在未來將會(huì)被廣泛的應(yīng)用，因此未來其可能成為主要的產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓的家用電器之一。充電器的連接與單相共整流電路相同，通過對(duì)電流的分解即可獲得高次、奇次、以及各次諧波電流。作為電源系統(tǒng)的負(fù)荷之一，變壓器的勵(lì)磁電流也應(yīng)考慮在內(nèi)。對(duì)于充電器，在負(fù)荷電流中的勵(lì)磁電流的比例是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力變壓器，因此充電器等電氣設(shè)備的諧波危害亦不容忽視。

3）計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備。一般計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備諧波電流和諧波電壓及用電負(fù)荷的非線性用電主要來自顯示器CRT。家用計(jì)算機(jī)和商場計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及以及計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備的諧波含有率相對(duì)比較高，這將引起電視機(jī)的諧波電流和計(jì)算機(jī)的諧波電流相位重合的可能性大大增加，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波效應(yīng)會(huì)迅速增加，因此計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波危害顯而易見。

4）穩(wěn)壓泵、消防水泵、消防電梯、不間斷電源、生活水泵等電氣設(shè)備主要諧波含量為5、7、9次諧波，以5次諧波比重較大。

5）電視機(jī)。電視機(jī)群是電網(wǎng)及電力用戶諧波影響最大的家用電器之一。同一相電壓向多臺(tái)電視機(jī)供電具有相同的諧波相位，當(dāng)同時(shí)使用率相對(duì)較高時(shí)，則造成配電網(wǎng)諧波也相應(yīng)的增加，尤其是9次諧波、7次諧波、5次諧波和3次諧波最為嚴(yán)重。

6）熒光燈。不同的熒光燈諧波電流含有率存在較大差異，因?yàn)椴煌臒晒鉄舨捎玫恼髌饕膊煌?，而諧波電流的產(chǎn)生很大一部分都由熒光燈整流器產(chǎn)生。在以往普通的長管熒光燈為主要的照明燈具，但現(xiàn)在照明燈具越來越多樣性，越來越多的采用緊湊型燈具，在各種各樣的燈具滿足了人們需求的同時(shí)，也造成了諧波污染的多樣性。其中電子鎮(zhèn)流器脈沖型各奇次含有率亦高達(dá) 15%～18%，特別是 3次諧波居然高達(dá)70%～80%，3次諧波含有率較高的繞線式鎮(zhèn)流器，一般可達(dá)8%～10%。諧波次數(shù)越高，含有率則越低；高頻時(shí)各次諧波含有率相對(duì)比較低，一般可達(dá)3%～15%左右。

3 諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害是比較嚴(yán)重的，主要體現(xiàn)在以下方面。

1）部分供電線路的損耗由諧波引起。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的損失和浪費(fèi)；諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導(dǎo)體絕緣，同時(shí)高頻諧波可能造成集膚效應(yīng)降低電纜的載流能力。

2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波電流的存在導(dǎo)致電力變壓器產(chǎn)生附加的損耗，從而引起過載、過熱，加速了絕緣介質(zhì)的老化，導(dǎo)致絕緣損壞。正序和負(fù)序諧波電流在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，發(fā)熱增加。而正序和負(fù)序諧波電流在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場，造成局部發(fā)熱，縮短其使用壽命。

3）諧波電流會(huì)使電子電氣設(shè)備出現(xiàn)較大的誤差，甚至引起電子電氣設(shè)備的失靈。諧波電流及諧波電壓影響通信及通信設(shè)備一般通過磁感應(yīng)、電容耦合、電感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)等方式，磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)、電感應(yīng)及電容耦合等方式對(duì)低頻信號(hào)影響更大。例如，變流器等電氣設(shè)備在換相時(shí)注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率，甚至可以達(dá)到 1MHz，這些諧波頻率將會(huì)影響通信設(shè)備、通信線路的正常工作，從而導(dǎo)致通信系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。

4）對(duì)諧波頻率比較敏感的電力電容器，因其自身的容性阻抗特性，以及頻率與容抗成反比的特性，使得諧波電流容易被電力電容器吸收從而引起電容器發(fā)熱過載。此外，基波電壓與諧波電壓疊加時(shí)使電壓波形增多了起伏，傾向于增多每個(gè)周期中局部放電的次數(shù)，相應(yīng)地增加了每個(gè)周期中局部放電次數(shù)的功率，使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。

4 諧波限值

針對(duì)目前電網(wǎng)受諧波影響，國家也是規(guī)定了一些相關(guān)規(guī)范，電力諧波時(shí)刻危害著電力用戶和電網(wǎng)，因此，國內(nèi)和國際已公布相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及其制定了相應(yīng)的措施從而到達(dá)限制電力諧波的目的，防止其對(duì)電力用戶和電網(wǎng)的危害。例如：限制公共電網(wǎng)諧波的GB/T 14549—1993、IEEE 519—1992、公用電網(wǎng)間諧波 GB/T 24337—2009、IEC 61000-3-4、IEC 61000-3-2、GB/Z 17625.6—2003、GB/Z 17625.1—2003等相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都基于以下目標(biāo)：

1）對(duì)其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾，使其在正常的狀態(tài)下工作。

2）根據(jù)用戶需求的電壓波形向用戶供電，使其滿足用戶的需要。

3）根據(jù)系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平，將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制在一定的范圍內(nèi)。

注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值見表1、表2。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓限值（GB/T 14549—1993）

表2 注入公共鏈接點(diǎn)的諧波電流允許值（GB/T 14549—1993）

5 治理諧波的措施

當(dāng)諧波電壓超過連接點(diǎn)處的限值，諧波源的自然功率因數(shù)較高（如核磁共振機(jī)、變頻調(diào)速器等電氣設(shè)備），非線性負(fù)荷的諧波電流較大，諧波波頻較寬（如大功率電氣設(shè)備）時(shí)，諧波按下列原則進(jìn)行治理：

1）采用專用配電回路或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姟?/p>

2）當(dāng)非線性負(fù)荷容量占配電變壓器容量的比例較大，設(shè)備的自然功率因數(shù)較高時(shí)，應(yīng)在變壓器低壓配電母線側(cè)集中裝設(shè)有源電力濾波器。

3）當(dāng)配電變壓器僅為少數(shù)重要的非線性設(shè)備提供電源時(shí)，宜采取就地裝設(shè)有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設(shè)備對(duì)每臺(tái)產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備進(jìn)行抑制及治理。

選擇合理的供電和配電系統(tǒng)應(yīng)按照以下原則進(jìn)行配置：①將線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷的供電電源有效的進(jìn)行隔離；②盡可能的將非線性負(fù)荷設(shè)置在電源端；③由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電。

1）對(duì)于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設(shè)備（醫(yī)療建筑中的核磁共振機(jī)、CT機(jī)、X光機(jī)加速器治療機(jī)、整流裝置、變頻、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等諧波源）應(yīng)采用專路供電。

2）合理配置諧波源，同一段母線上宜接具備互補(bǔ)功能的諧波源設(shè)備，從而達(dá)到互相抵消諧波的目的。

3）將單相負(fù)荷、兩相負(fù)荷等不對(duì)稱負(fù)荷分散接到不同的供電點(diǎn)上或均勻合理的分配到各相，從而改善三相不平衡度，達(dá)到抑制和治理諧波的目的。三相不平衡引起電壓不平衡，而不平衡的電壓將導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流（非特征諧波），由此可見，三相平衡具有一定的抑制諧波的作用。Dyn11型結(jié)線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性，在進(jìn)行電力變壓器選擇時(shí)，Dyn11可作為首選。

對(duì)容量較大，頻譜特性復(fù)雜，自然功率因數(shù)較低，負(fù)荷比較穩(wěn)定，3、5、7次諧波含量高的諧波源，抑制此類諧波源可采用有源與無源電力濾波器共同來完成。無源電力濾波器是由濾波電容器、電阻器和電抗器適當(dāng)組合而成，其包括3種基本形式：并聯(lián)濾波、串聯(lián)濾波和低通濾波。并聯(lián)濾波同諧波源并聯(lián)，不但具有濾波作用，而且還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?；串?lián)濾波主要適用于3次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，且易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使無源電力濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器能對(duì)幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，無諧波放大的危險(xiǎn)。

電力系統(tǒng)的諧波干擾包括系統(tǒng)外部諧波干擾和系統(tǒng)內(nèi)部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統(tǒng)外部，應(yīng)盡可能的避免串聯(lián)諧振的發(fā)生；以5次和7次為主的諧波干擾，應(yīng)避免串聯(lián)諧振發(fā)生；諧波干擾屬于電力系統(tǒng)內(nèi)部的，應(yīng)以抑制和濾除為主。

為抑制及治理諧波源在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用無功功率補(bǔ)償電力電容器組串聯(lián)電力電抗器的方案，電力系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波的頻率高于L-C串聯(lián)支路的諧振頻率，可有效避免系統(tǒng)諧波放大效應(yīng)。

依據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率選擇應(yīng)根據(jù)電容參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)經(jīng)相關(guān)計(jì)算分析來綜合考慮確定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率取值范圍應(yīng)滿足下列要求：用于限制諧波時(shí)，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電力電容器電氣設(shè)備接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測量值進(jìn)行選擇。當(dāng)諧波為3次及以上時(shí)，電抗率取值應(yīng)在12.0%左右，亦可采取 4.5%～5.0%與 12.0%兩種電抗率混裝方式；當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，電抗率取值應(yīng)在4.5%～5.0%區(qū)間；僅用于抑制涌流時(shí)，電抗率取值應(yīng)在0.1%～1.0%區(qū)間。

諧波隔離抑制裝置應(yīng)裝設(shè)在用電設(shè)備前。配電線路上的變頻設(shè)備，應(yīng)靠近被控設(shè)備安裝。將敏感信息技術(shù)電氣設(shè)備置于干擾源附近（如不間斷電源、家用視聽設(shè)備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等）不合適。

6 諧波抑制及治理的容量設(shè)計(jì)

6.1 諧波電流的估算

諧波電流本身的計(jì)算與測量相對(duì)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)的收集亦相對(duì)比較困難，對(duì)于諧波電流的近似估計(jì)可采用下列公式：

式中，K1為配電變壓器的負(fù)荷率，常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)一般取0.7～0.8；THDi為電流總諧波畸變率，THDi取值如下（表3）；SR為變壓器額定容量（kVA）；US為為變壓器低壓測額定電壓（kV）。

6.2 諧波補(bǔ)償裝置的容量估算和選型

可根據(jù)估算的諧波電流值進(jìn)行設(shè)備選型，亦可根據(jù)公共聯(lián)接點(diǎn)（PPC）或內(nèi)部聯(lián)接點(diǎn)（IPC）對(duì)諧波的要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的選型。

表3 電流總諧波畸變率表

1）采用無源濾波電氣裝置時(shí)，可按每千乏（kvar）無功容量折算成電流后按 0.2～0.3的系數(shù)來計(jì)算諧波抑制電流（當(dāng)非線性負(fù)荷較多時(shí)，則取0.25）。例如，200kvar的無功容量其消諧式無功補(bǔ)償電流大約為 288A，此時(shí)按系數(shù) 0.25折算，即可抑制72A的諧波電流。

2）可依據(jù)諧波電流估算值的大小來進(jìn)行設(shè)計(jì)選型有源濾波電氣裝置。

3）計(jì)算舉例如下：當(dāng)選擇配電變壓器容量為1600kVA，電流總諧波畸變率取值為 25%，配電變壓器的負(fù)荷率取值為 0.8，配電變壓器變比為10/0.4kV時(shí)，根據(jù)上述公式可得出諧波電流值為448A。消諧式無功補(bǔ)償容量根據(jù)配電變壓器容量進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)消諧式無功補(bǔ)償裝置取 500kvar時(shí)，其補(bǔ)償電流為720A，抑制的諧波電流按系數(shù)0.3折算即216A。然而消諧式無功補(bǔ)償只能在一定的范圍內(nèi)抑制部分諧波，需要達(dá)到系統(tǒng)允許的諧波標(biāo)準(zhǔn)要求，單單選用消諧式無功補(bǔ)償是不夠的，想要達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)則需要三相有源濾波器的配合?？紤]到部分諧波電流已經(jīng)被消諧式無功補(bǔ)償濾除了，根據(jù)計(jì)算232A為系統(tǒng)還未被濾除的諧波電流。根據(jù)需要選用的三相有源濾波器容量為200～300A即可抑制諧波。

4）無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但濾波性能不佳，而有源濾波器正好相反。因此可采用無源與有源濾波器配合共同完成諧波的治理。采用并聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)無源濾波器此種模式可以有效的進(jìn)行諧波治理，其中無源濾波器可以包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，也可以只包括高通濾波器（此時(shí)，無源濾波器補(bǔ)償吸收比較固定的無功功率和頻率較高的諧波成分，而有源濾波器補(bǔ)償較快的沖擊性無功功率和頻率較低的諧波成分）。在這種模式下，有源濾波器仍起著諧波補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑹o源濾波器濾除大部分諧波，因此有源濾波器容量很小。

7 結(jié)論

綜上所述，人們的生活因電子電力設(shè)備的使用而變的更加便利高效，然而大量電子電力設(shè)備的使用也為諧波的危害埋下了伏筆?？傊C波的治理是一個(gè)漫長求索的過程，只有各個(gè)方面都嚴(yán)格按照國內(nèi)和國際公布的相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，才能有效減少諧波帶來的危害。特別是在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)采取有效的設(shè)計(jì)方法，配置合理的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償設(shè)備，積極主動(dòng)地進(jìn)行諧波治理，才能既減少電能損耗，又能保證電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Discussion on Harmonic Suppression and Control Design Method of Low Voltage Distribution System

Mao Jing1Fang Jianmei2
(1. State Grid Ningbo Cixi Power Supply Company, Cixi, Zhejiang 315000;2. Zhejiang Donghe Engineering Design Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315040)

With the rapid development of power system, power quality problems caused by more and more attention. Due to the popularity of a variety of nonlinear load, the pollution of harmonics is increasing, so the harmonic governance has become a widespread concern at home and abroad. This paper mainly expounds the harmonic pollution and its harm, methods of harmonic suppression and suppression, and the electrical equipment of the generated harmonic source to do a specific analysis.

power quality; harmonic harm; harmonic suppression; design method; capacity calculation

茅 靖（1963-），男，浙江慈溪人，本科，工程師，主要從事高低壓配電運(yùn)行管理工作。