淺談諧波分析及治理在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

時(shí)間：2020-09-09作者：江蘇安科瑞電器制造有限公司瀏覽：54

摘要：為解決供電緊張的問題，一方面要建設(shè)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(dǎo)致電力損耗增加，供電質(zhì)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(zhì)和測量方法，對配網(wǎng)中諧波的來源和危害進(jìn)行了詳細(xì)說明，總結(jié)和提出了治理諧波的若干方法。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng);諧波

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

1 配電網(wǎng)中的諧波源

1.1 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波

嚴(yán)格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波多位于用電環(huán)節(jié)上。發(fā)電機(jī)是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機(jī)三相繞組須完全對稱，發(fā)電機(jī)內(nèi)的鐵心也須完全均勻一致，才不致造成諧波的產(chǎn)生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面的限制，發(fā)電機(jī)總會(huì)產(chǎn)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(nèi)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(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線性就越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。

1.2 整流設(shè)備產(chǎn)生的諧波

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

1.3 變頻器產(chǎn)生的諧波

變頻原理常用于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)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(jīng)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(guān)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(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì)產(chǎn)生含復(fù)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(huì)對電網(wǎng)造成嚴(yán)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(yīng)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(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波;電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動(dòng)機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。

2 諧波與電容補(bǔ)償?shù)年P(guān)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(gè)國家投入大量資金進(jìn)行研究和治理。我國涉足這個(gè)領(lǐng)域時(shí)間尚短，經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知程度不足，必然造成不小的浪費(fèi)。近幾年對某公司的電 源設(shè)備進(jìn)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(gè)配電機(jī)房進(jìn)行了一次諧波測試，測試結(jié)果如表 1。

表1







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

為了切實(shí)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(shí)的 4.8%(L2 相)增加到投入四路電容器(240kVAr)時(shí)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(dǎo)致進(jìn)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(fù)荷，均有較大的危害。當(dāng)電容器從 0kvar 分步投入到 240kvar，而負(fù)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(dāng)投入240kvar后，相對于180kvar時(shí)，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(chǎn)生的失真功率**過了了補(bǔ)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(dǎo)致了系統(tǒng)無功補(bǔ)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(wǎng)中的危害及具體事例分析

3.1 對變壓器的影響

當(dāng)諧波電流和基波電流一同流經(jīng)變壓器繞組時(shí)，由于高頻率的諧波會(huì)對變壓器發(fā)生嚴(yán)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(huì)出現(xiàn)變壓器噪音變大，變壓器達(dá)不到額定負(fù)荷輸出，情況嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致變壓器出線局部過熱破壞絕緣，從而危害配電室和電網(wǎng)的安全運(yùn)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(dāng)頻率越高時(shí)，電容器的容抗越低，因而諧波會(huì)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(chǎn)生諧振，產(chǎn)生較高的諧振過電壓而損壞電容器，甚至導(dǎo)致電容器漏液、著火及至爆炸，有可能會(huì)影響整個(gè)配電室的供電。

3.3 對其它電力設(shè)備的影響

由于諧波在這些設(shè)備上產(chǎn)生明顯的集膚效應(yīng)使得發(fā)電機(jī)等鐵磁設(shè)備損耗明顯變大，產(chǎn)生過熱，絕緣提前老化發(fā)電機(jī)出力明顯不足，過熱，噪音大，振動(dòng)大等;同時(shí)電纜產(chǎn)生過熱，絕緣提前老化。諧波對電網(wǎng)負(fù)擔(dān)的加重，由于非線性負(fù)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(wǎng)的可用容量下降;電網(wǎng)的品質(zhì)變壞，波形失真，頻率改變等。電能表是評價(jià)電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費(fèi)的憑證，而諧波可能使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動(dòng)，保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的重要因素。

3.4 繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響

對于由電壓或電流信號啟動(dòng)動(dòng)作的繼電器或啟動(dòng)元件，當(dāng)基波動(dòng)作量并未達(dá)到整定值時(shí)，由于較大的諧波量和基波量疊加后的綜合量**過動(dòng)作值。當(dāng)電壓和電流繼電器或元件配合差 動(dòng)電路、零序電路或負(fù)序電路，構(gòu)成差動(dòng)、零序或負(fù)序繼電器啟動(dòng)元件時(shí)，則對諧波影響都很小。因?yàn)檫@些電路輸出的基波量都很小，相應(yīng)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(dòng)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(shè)備，電壓互感器是鐵芯外露的半封閉結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行中燒壞一臺(tái)。后將 PT 返廠解剖分析并對環(huán)氧樹脂進(jìn)行理化試驗(yàn)所得：

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

(2) 理化試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得符合E-39D環(huán)氧固化體系標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3) 生產(chǎn)廠家認(rèn)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(yīng)造成勵(lì)磁電流激增，鐵芯飽和，兩者相互作用形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重發(fā)熱致使 PT 燒壞。

現(xiàn)場變壓器檢測結(jié)果與數(shù)據(jù)分析如表 2

表2







由于大量非線性負(fù)載(UPS、機(jī)房空調(diào)設(shè)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(shè)備使用壽命，使系統(tǒng)安全性降低，設(shè)備準(zhǔn)確度下降，使得保護(hù)裝置誤動(dòng)作，損毀供電設(shè)備及用電設(shè)備，還會(huì)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(yīng)對各變壓器低壓主饋電回路使用有源濾波器對諧波進(jìn)行治理。

4 諧波治理措施的分析與比較

根據(jù)技術(shù)原理的不同，諧波治理的解決方案有多種，應(yīng)用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，因其動(dòng)態(tài)濾波能力，濾波效果等優(yōu)勢，被越來越廣泛地應(yīng)用，是諧波治理的技術(shù)發(fā)展方向。下面對不同的諧波治理技術(shù)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(dāng)諧波問題影響到電力系統(tǒng)時(shí)，就變大供電系統(tǒng)的容量。例如: 變大變壓器或發(fā)電機(jī)容量，以求系統(tǒng)能夠忍受諧波帶來的種種問題;當(dāng)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(yīng)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(jià)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(fù)載容量變大，諧波問題又會(huì)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(wǎng)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(shí)治理 3~17次諧波對電網(wǎng)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(wǎng)與負(fù)載之間，形成了附加阻抗，降低了電網(wǎng)的實(shí)際帶載能力;當(dāng)負(fù)載發(fā)生較大增容時(shí)也受到了一定的限制，其結(jié)果會(huì)使剩余次諧波所產(chǎn)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(chǎn)中可控硅整流器是一種常見的變流設(shè)備，三相全控橋式整流又是應(yīng)用普通的設(shè)備，然而也是諧波含量較高的設(shè)備，在一些有色金屬冶煉中，為了減少諧波對電網(wǎng)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(fù)雜，設(shè)備的可靠性相對降低，對工業(yè)生產(chǎn)是有消較作用的。

(4) 無源濾波器。這是應(yīng)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(diào)諧原理，將高次諧波陷落在濾波器中，以減少對電網(wǎng)的注入。但 是這種濾波器對于負(fù)載諧波頻譜發(fā)生變化時(shí)，就顯得軟弱無力了。在采用發(fā)電機(jī)組供電的場合，這種濾波器的啟動(dòng)電流又很大，呈容性負(fù)載，往往使發(fā)電機(jī)組難以承受;如果是多臺(tái)濾波器 并聯(lián)使用或補(bǔ)償?shù)臒o功功率與負(fù)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(yīng)用在整流器之前，例如：變頻調(diào)速器，調(diào)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(diǎn)

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(wǎng)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(yīng)范圍較小，大多是針對某一次或某幾次諧波進(jìn)行治理，如果負(fù)載是一個(gè)寬頻譜或頻譜發(fā)生變化時(shí)，就很難獲得理想的效果。

(2)適應(yīng)負(fù)載特性的能力較差，如果負(fù)載是一個(gè)頻繁變化的特性，或是負(fù)載系統(tǒng)是由眾多的不同特性的設(shè)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(huì)產(chǎn)生一定的附加損耗，其結(jié)果不是設(shè)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(biāo)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(dá)到 2~3 倍。

(5)過載能力較差，使負(fù)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(shí)有共振的危險(xiǎn)。

(8)整體尺寸、重量、造價(jià)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(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可治理閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);在性價(jià)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(xiǎn);具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。

5 安科瑞諧波治理產(chǎn)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(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)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(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)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(bào)價(jià)方案為準(zhǔn)。

模塊化







6 配電網(wǎng)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(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波，就顯得尤為重要?？蓺w納以下治理措施：

(1)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹。IEC 6100 以及標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993，對于諧波定義、測量等進(jìn)行了宣傳，明確諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn) 定運(yùn)行的舉措。

(2)主管部門對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料;在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，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(shè)備是否產(chǎn)生了**標(biāo)的諧波污染。

(3)針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的隔離、補(bǔ)償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)加裝濾波設(shè)備來減小諧波注入電網(wǎng)。對于各種電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)初始，就要考慮其設(shè)備的諧波污染度，將諧波限在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

(4)加強(qiáng)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(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面，在分清諧波來源基礎(chǔ)上，走共同治理之路。


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