李超平

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任有限公司江門新會(huì)供電局，廣東江門 529100）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，生活中的諧波設(shè)備不斷增加，電動(dòng)汽車直流充電樁的普及，城市公共電網(wǎng)中諧波含有率增加[1]。另一方面，智能制造概念興起，多種直流控制設(shè)備、變頻設(shè)備引入工業(yè)生產(chǎn)流程，使得工業(yè)園區(qū)公網(wǎng)諧波含有率大幅攀升。

過高的諧波含有率不僅影響電氣設(shè)備正常工作，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電氣火災(zāi)。電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)過多起，由于用戶設(shè)備注入諧波電流引起同一公共連接點(diǎn)其他用戶設(shè)備燒毀的情況。因此，對用戶向公網(wǎng)注入諧波電流的防控與治理已日漸成為配網(wǎng)運(yùn)維的突出問題。

根據(jù)《供電營業(yè)規(guī)則》第55 條的規(guī)定：電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電壓正弦波畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流不得超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993 的規(guī)定。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流影響公共連接點(diǎn)其他用戶的正常用電且無法消除，供電企業(yè)可中止對其供電[2]。

在實(shí)際運(yùn)行中，對用戶諧波電流越限取證較為困難，由于諧波發(fā)生時(shí)間的不確定性，判定過程較為復(fù)雜，甚至與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)短路容量、各用戶在該接入點(diǎn)的協(xié)議容量等電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)。應(yīng)用一般的諧波測量設(shè)備通過蹲點(diǎn)的方式取證將耗費(fèi)大量人力，且不一定能夠取得理想效果。因此，開發(fā)一款全天候監(jiān)測用戶諧波電流、就地分析判定、遠(yuǎn)動(dòng)控制開關(guān)分合的設(shè)備，成為電管企業(yè)的迫切需求。

1 諧波的成因與危害

電網(wǎng)基波為50 Hz 的工頻正弦波，因而較容易產(chǎn)生奇數(shù)次諧波，一般的電網(wǎng)中奇數(shù)次諧波數(shù)值較大，而偶數(shù)次諧波則多為帶有繞組的設(shè)備磁路飽和所致，如變壓器合閘涌流、電機(jī)定子磁路飽和等。在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，用戶諧波產(chǎn)生的來源有：電弧加熱設(shè)備，在燃弧過程中電弧電阻的非線性變化引起的諧波，如電弧爐、電焊機(jī)等；交流整流的直流用電設(shè)備，晶閘管在高速切換通斷狀態(tài)形成的諧波，如電力機(jī)車、電解、電鍍、直流電機(jī)等；交流整流再逆變的用電設(shè)備，如變頻器等；開關(guān)電源設(shè)備，如彩電、電腦等；照明設(shè)備、通信設(shè)備、日常用電設(shè)備等均為諧波源。

在低壓配電線路中，3 次及3 的倍數(shù)次諧波的危害最為突出。原因是在三相四線制配電線路中，N 線電流為A、B、C 相電流的疊加，正常情況下N 線電流疊加值為零，其他次諧波匯入N線也會(huì)因相位不同而部分相消，表現(xiàn)為N 線電流絕對值不會(huì)特別突出。然而三相相位相差120°，3 次諧波電流疊加在N 線上相位重疊，3 次諧波電流為相線的3 倍。因此，在零線中線徑選取不當(dāng)，則容易因3 次諧波電流越限引起過流燒毀?；蛞蛄憔€電流比相線大，零線電壓降高于相線，導(dǎo)致用戶設(shè)備電壓不足，用電設(shè)備工作在不正常狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)可能燒毀電氣。

而在配變中，諧波電流除會(huì)導(dǎo)致低壓N 接線柱的異常發(fā)熱外，諧波電流在變壓器繞組中產(chǎn)生的磁滯渦流，使得變壓器局部發(fā)熱異常，導(dǎo)致配變銅損與鐵損同時(shí)增大。同時(shí)，過熱的工作環(huán)境會(huì)引起變壓器絕緣材料加速老化，因而危害配變的安全運(yùn)行，縮短設(shè)備壽命。

電力電容器多為三角形接線，流過電容器的電流主要為電容器容抗決定，而容抗值與系統(tǒng)電壓頻率成反比。過高的諧波電壓導(dǎo)致容抗降低，流過電容器的電流大幅上升，容易燒毀電容器。

2 越限判定

2.1 諧波電流的測量

電力系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下注入等量諧波電流，諧波的影響不同，因而測量諧波電流應(yīng)在配電系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下、諧波設(shè)備注入最大諧波電流的工作狀態(tài)下采集諧波信息。對于負(fù)荷變化快慢不同的諧波源測量方式也應(yīng)有所區(qū)分。對于變化快的諧波源，可增加測量次數(shù)、減小測量間隔；對于變化慢的諧波源，測量間隔和持續(xù)時(shí)間不做規(guī)定。

2.2 低壓配電網(wǎng)諧波電流允許值的計(jì)算

若以配變低壓母線為公共連接點(diǎn)，須按該低壓母線最小短路容量與基準(zhǔn)容量進(jìn)行換算，換算結(jié)果與表1 中諧波電流運(yùn)行值比較，大于表1 數(shù)值即為諧波電流越限，容量換算公式[3]：

表1 注入低壓母線允許諧波電流允許值

其中，Sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Ihp為第h 次諧波電流允許值（表1），A；Ih為短路容量為Sk1時(shí)的第h 次諧波電流允許值，A。

若以臺(tái)區(qū)已投運(yùn)的配變?nèi)萘孔鳛楣╇娫O(shè)備容量，某一用戶諧波電流允許值按該用戶與電網(wǎng)企業(yè)簽訂的協(xié)議容量與該用戶所屬臺(tái)區(qū)投運(yùn)的配變?nèi)萘窟M(jìn)行分配，分配換算公式[3]：

其中，Ih為基準(zhǔn)短路容量下第h 次諧波電流允許值，A；Si為某用戶的協(xié)議容量，MVA；St為已投運(yùn)的配變?nèi)萘?，MVA；ɑ 為相位迭加系數(shù)，按諧波次數(shù)取值（表2）。

表2 ɑ 相位迭加系數(shù)按諧波次數(shù)取值

判別式中公共短路容量、設(shè)備容量、用戶協(xié)議容量等涉及電網(wǎng)參數(shù)、經(jīng)營等數(shù)據(jù)，因而諧波電流允許值須根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算，通用的諧波測量設(shè)備難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次研制的諧波監(jiān)測儀，前置數(shù)據(jù)采樣應(yīng)用外置高速數(shù)據(jù)采集卡的成熟方案，對用戶接入點(diǎn)交流模擬量進(jìn)行高速采集，通過數(shù)據(jù)接口傳送至人機(jī)交互平板電腦（圖1）。人機(jī)交互界面可錄入電網(wǎng)參數(shù)短路容量、設(shè)備容量、用戶協(xié)議容量等，并內(nèi)置基準(zhǔn)容量下的諧波電流允許值。當(dāng)各次諧波電流值采集完畢，經(jīng)容量換算后與諧波電流允許值進(jìn)行比對，如諧波越限即發(fā)出聲光報(bào)警，對該時(shí)刻下電流進(jìn)行錄波，保存該用戶越限證據(jù)，同時(shí)發(fā)信至后臺(tái)通知運(yùn)行人員，也可選擇發(fā)送跳閘信號(hào)至該用戶進(jìn)線斷路器，斷開公用電網(wǎng)與諧波發(fā)生設(shè)備的連接。設(shè)備工作流程見圖2。

圖1 人機(jī)交互界面

圖2 設(shè)備工作流程

本次開發(fā)選用NI PCIe-6321 數(shù)據(jù)采集卡、工程通用平板電腦及附加電路搭建而成。平板電腦附帶SIM 卡槽，用于遠(yuǎn)程通信，并帶有開關(guān)量輸出端口。

NI PCIe-6321 數(shù)據(jù)采集儀具備豐富的硬件資源，且軟件兼容性極好，可設(shè)置高級(jí)定時(shí)和觸發(fā)，配有NI-STC3 定時(shí)和同步技術(shù)；支持Windows 7/Vista/XP/2000 操作系統(tǒng)。

4 應(yīng)用測試

目前，已在工業(yè)用電臺(tái)區(qū)的重點(diǎn)用戶接入點(diǎn)處、照明臺(tái)區(qū)計(jì)算機(jī)中心接入點(diǎn)處安裝多臺(tái)遠(yuǎn)程諧波開展試運(yùn)行分析，并在越限影響較大的公共接入點(diǎn)投入跳閘信號(hào)連片。測試期間，儀器運(yùn)行情況良好，提供連續(xù)長時(shí)間的諧波監(jiān)測數(shù)據(jù)，未見誤判、誤動(dòng)、拒動(dòng)等情況。越限錄波的功能為諧波整治工作保留了證據(jù)，使諧波越限用戶及生產(chǎn)運(yùn)維人員對諧波問題引起重視。

部分協(xié)議容量較大的用戶已計(jì)劃采取調(diào)整生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行方式、加裝有源或無源濾波器等措施，以減少向公網(wǎng)注入諧波電流。而生產(chǎn)運(yùn)維人員也調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式，合理增大公共連接點(diǎn)的短路容量，提高諧波電流允許值，并對諧波含有率高的臺(tái)區(qū)設(shè)備健康度進(jìn)行重新評估。

總結(jié)課題小組及營銷、運(yùn)維一線人員使用過程中的經(jīng)驗(yàn)，編制諧波監(jiān)測儀《使用操作手冊》《使用說明》。關(guān)于該諧波監(jiān)測儀的其他應(yīng)用深度發(fā)掘仍在進(jìn)一步探討中。

5 結(jié)束語

諧波監(jiān)測儀的研制彌補(bǔ)了低壓配電網(wǎng)用戶諧波越限查處的空白，為低壓諧波污染的綜合治理提供可行的方案。新設(shè)備的引入，為低壓電網(wǎng)的諧波治理提供了新方法和新思路。出現(xiàn)某用戶因諧波越限侵害其他用戶權(quán)益的情況，電網(wǎng)運(yùn)維單位可依據(jù)預(yù)先裝設(shè)好的諧波監(jiān)測設(shè)備錄波作為證據(jù)，協(xié)助諧波受害用戶依法索賠。通過新工作方法，電網(wǎng)企業(yè)可以督促有諧波越限風(fēng)險(xiǎn)的用戶更加重視設(shè)備諧波越限的問題，及時(shí)開展整改方案，提前防范諧波對電網(wǎng)帶來的危害。該設(shè)備在低壓配電網(wǎng)諧波設(shè)備越來越多的大環(huán)境下，可預(yù)見未來有越來越廣闊的前景。