供電系統(tǒng)中諧波的危害治理與管理＊

汪志浩,翁時樂

（長興縣供電局,浙江長興 313100）

供電系統(tǒng)中諧波的危害治理與管理＊

汪志浩,翁時樂

（長興縣供電局,浙江長興 313100）

電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染,正弦電壓波形畸變,大大增加了電能損耗,并使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設(shè)備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障,情況日趨嚴(yán)重.在簡要論述諧波產(chǎn)生的過程、諧波對系統(tǒng)和設(shè)備的危害的基礎(chǔ)上,提出了諧波治理的一些措施,并針對縣級供電企業(yè)在諧波管理上存在的不足和對策進(jìn)行了闡述.

電能質(zhì)量;諧波;危害治理;管理探討

工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展使非線性設(shè)備得到廣泛應(yīng)用,大量的諧波電流被注入電網(wǎng),嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量,威脅電網(wǎng)的安全運行,同時增加了電能損耗,降低了經(jīng)濟效益.

1 諧波的來源

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解,除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量,還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量,這部分電量稱為諧波.諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1）稱為諧波次數(shù).當(dāng)諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍時,我們將其稱之為整數(shù)次諧波,這類諧波通常直接用次數(shù)來表示.例如：將頻率為基波頻率5倍（250Hz）的諧波稱之為5次諧波,將頻率為基波頻率7倍（350Hz）的諧波稱之為7次諧波,依此類推.第3、5、7次等為奇次諧波,而第2、4、6、8等為偶次諧波,一般地講,奇次諧波引起的危害較偶次諧波更多更大.

電網(wǎng)諧波主要來源于三個方面：發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波;輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波;用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波.其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多.

發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致,發(fā)電源或多或少會產(chǎn)生一些諧波,但一般來說很少.輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波,它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式‘鐵心的飽和程度有關(guān),其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的0.5%.在用電設(shè)備中,晶閘管整流設(shè)備、變頻裝置、電弧爐、電石爐、充氣電光源、家用電器等都能產(chǎn)生諧波.

晶閘管整流技術(shù)在電力機車、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)計表明,整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個諧波的近40%,是最大的諧波源.

變頻原理常用于水泵、風(fēng)機等設(shè)備中,變頻一般分為兩類：交-直-交變頻器和交-交變頻器.兩者均采用相位控制技術(shù),所以在變換后會產(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,所以也會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染.

充氣電光源和家用電器更是常見的諧波源,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.計算機、電視機、錄像機、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,會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波;電風(fēng)扇、洗衣機、空調(diào)器含小功率電動機,也會產(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 諧波對電網(wǎng)及電力設(shè)備的危害

諧波會使電網(wǎng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生額外的損耗（諧波功率）,降低了設(shè)備的效率,同時諧波會影響設(shè)備的正常工作,例如諧波會增大變壓器的銅損和鐵損,降低變壓器有效出力,造成變壓器局部嚴(yán)重過熱、燥聲增大;諧波會導(dǎo)致電力電容器端電壓升高,加大損耗,造成電容器發(fā)熱,加速老化,從而縮短使用壽命;諧波還會導(dǎo)致電纜等設(shè)備過熱,電機產(chǎn)生機械振動等故障,是電氣設(shè)備絕緣部分老化、變質(zhì),嚴(yán)重時候甚至損壞設(shè)備.

諧波對電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器元件的干擾性較大,會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動或拒動,將嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行.諧波會使電氣測量儀表測量不準(zhǔn)確,特別是電子式電能表,當(dāng)諧波較大時將產(chǎn)生計量混亂,造成計量誤差,給我們供電部門帶來難以估計的損失.

對于計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等設(shè)備,電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中,產(chǎn)生干擾,從而干擾弱電系統(tǒng).對于人體,諧波會刺激人體細(xì)胞,使正常的細(xì)胞膜電位發(fā)生快速波動或可逆的翻轉(zhuǎn),當(dāng)這種波動或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時,會直接影響人體大腦與心臟.

3 諧波治理的對策

既然諧波危害如此之大,采取必要的有效手段,避免或補償已經(jīng)產(chǎn)生的諧波,就顯得尤為重要.

3.1 報裝把關(guān),驗收檢測

《中華人民共和國電力法》指出：“用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序”,《供電營業(yè)規(guī)則》中規(guī)定：“用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運行所注入電網(wǎng)的諧波電流和引起公共連接點至正弦波畸變超過標(biāo)準(zhǔn)時,用戶必須采取措施予以消除.”

作為供電部門,在用戶用電報裝時應(yīng)詳細(xì)了解其用電性質(zhì)和用電設(shè)備;在確定供電方案時,必須認(rèn)真核對諧波源設(shè)備,建立設(shè)備臺帳,對諧波源設(shè)備容量較大的客戶應(yīng)要求提供諧波危害評估報告;審查設(shè)計圖紙時充分考慮系統(tǒng)的設(shè)計,使所選用設(shè)備的諧波控制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi).諧波評估報告中對諧波有治理要求的,設(shè)計方案中應(yīng)一并考慮諧波治理、監(jiān)測,諧波治理測試合格后方可供電.

3.2 技術(shù)改進(jìn),減小諧波

應(yīng)定期開展諧波測試工作,對諧波超標(biāo)的變電站或線路要進(jìn)行認(rèn)真分析,找出諧波源,加裝設(shè)施減小諧波.

（1）諧波的隔離.10kV和35kV系統(tǒng)中三、九次諧波分量會比高壓電網(wǎng)大.為了減少低壓對10kV電網(wǎng)的影響,在10kV配電系統(tǒng)中推廣使用D,yn11接線組別的配電變壓器,能有效地減少三、九次諧波的影響.

（2）加裝無源濾波裝置.無源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián),使其在某次諧波產(chǎn)生諧振,當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時,使濾波器兩端該次諧波的電壓很小,幾乎接近零,這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè)出口處,從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小,達(dá)到對該次諧波治理的目的.缺點是容易過載,造成燒損,同時,受系統(tǒng)影響較大,更重要的是無源濾波器只可以過濾一種諧波成份,如果過濾不同的頻率,諧波則要分別不同的濾波器.優(yōu)點就是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護(hù)方便,同時能起到補償電容器組的作用,所以目前被國內(nèi)外廣泛采用.

（3）加裝有源濾波裝置.利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為趨向零,達(dá)到較實時補償諧波電流的目的.能有效地解決無源濾波器存在的缺點,是電力系統(tǒng)無功補償諧波治理的發(fā)展方向.目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高,而且成本很高,因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應(yīng)用.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,功率電子元件的成本下降,這一技術(shù)一定會在諧波治理上占主導(dǎo)地位的.

（4）供電系統(tǒng)中無功補償?shù)耐瑫r合理選擇串聯(lián)電抗器.堅持無功補償接入點諧波背景的測量,合理選擇串聯(lián)電抗器,抑制諧波電流,當(dāng)系統(tǒng)含有3次諧波時,選用電抗率為12%～13%的串聯(lián)電抗器,含有5次及以上諧波時,選用電抗率4.5%～6%的串聯(lián)電抗器.

3.3 精心設(shè)計,避開諧振

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范（J GJ/T 16-923.3.10）》“為控制各類非線性用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波引起的電網(wǎng)電壓正弦波形畸變在合理范圍內(nèi),宜采限下列措施：各類大功率非線性用電設(shè)備變壓器的受電電壓有多種可供選擇時,如選用較低電壓不能符合要求,宜選用較高電壓.”也就是中頻爐等大功率非線性用電設(shè)備在選型時,盡量選擇較高電壓.

在無功補償設(shè)計中除了應(yīng)注意避免并聯(lián)電容器與系統(tǒng)感抗的諧振,除了驗算基波外,還需要驗算3、5、7次等主要諧波,避開這些參數(shù),防止在該次諧波發(fā)生諧振.

3.4 加強宣傳,共同治理

通過各種手段加強標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹,使用戶明確諧波治理是一項互惠互利、節(jié)能增效、保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運行的舉措.供電方與用電方應(yīng)在分清諧波來源基礎(chǔ)上,多方出資,走共同治理之路.

4 縣級供電企業(yè)對諧波的管理

4.1 縣級供電企業(yè)對諧波管理存在的不足

目前國家電網(wǎng)公司把諧波治理作為創(chuàng)建國家一流縣供電企業(yè)考核驗收的一項重要指標(biāo),足以說明對縣級供電企業(yè)諧波治理的重視,但還是暴露出一些問題.①對諧波的危害熟悉不足.諧波作為一種污染,對電網(wǎng)危害十分嚴(yán)重,但由于諧波的危害程度需要專業(yè)測量和計算,在生產(chǎn)實踐中不易覺察到,而縣級供電企業(yè)這方面的工作還不夠完善,因而對諧波的危害還沒有足夠的熟悉.②對諧波的產(chǎn)生原理缺乏深入了解.對客戶的用電設(shè)備,只重點強調(diào)了用電安全性及功率因素等經(jīng)濟指標(biāo),對它們產(chǎn)生的電網(wǎng)污染熟悉不足.如我局雖然在2002年開始就把“客戶電壓、無功、諧波管理”納入了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),并于2008年重新下發(fā)了“關(guān)于加強客戶諧波源管理的若干規(guī)定”等文件,但是在用戶用電報裝及供電方案確定的時候,往往還是忽略了一些換流設(shè)備、變頻設(shè)備、電焊機等主要的諧波源.③諧波治理的專業(yè)技術(shù)力量不足.由于諧波治理涉及電力電子、電力系統(tǒng)、電力自動化技術(shù)、電子測量、理論電工等專業(yè),而在縣級供電企業(yè)中相關(guān)專業(yè)人才相對缺乏,如我局也是剛剛開展諧波測量工作,而對于諧波源監(jiān)測、諧波分析、諧波治理等工作,還處于一個摸索階段,沒有形成自己的治理體系,很難實現(xiàn)及時監(jiān)控、治理的目標(biāo).④諧波治理的資金投入不足.諧波測量是一項比較繁瑣的工作,需要較大的人力物力,而諧波源治理又比較困難,用戶在購買設(shè)備時為減少投入,對諧波抑制設(shè)備配備很少,因而造成了電網(wǎng)諧波抑制設(shè)備的缺乏.

4.2 縣級供電企業(yè)采取的對策

根據(jù)以上分析,本人認(rèn)為,加強縣級電網(wǎng)諧波治理應(yīng)當(dāng)做好以下工作：①充分熟悉諧波對電網(wǎng)的危害,建立健全諧波治理體系,組織專業(yè)治理隊伍,對諧波進(jìn)行專業(yè)治理,開展諧波專業(yè)分析與治理.②普及諧波治理知識,大力宣傳諧波對電網(wǎng)的危害,使供電企業(yè)職工與用戶都能夠充分熟悉到,諧波治理不只是供電企業(yè)的責(zé)任,而是電力企業(yè)和用戶的共同責(zé)任,減少電網(wǎng)污染,提高電能質(zhì)量,對雙方都有較大的潛在利益.③在企業(yè)內(nèi)部把諧波治理指標(biāo)與經(jīng)濟責(zé)任制考核掛鉤,嚴(yán)格執(zhí)行對電網(wǎng)的諧波含量的定期測試,對用戶設(shè)備注入電網(wǎng)的諧波電流進(jìn)行監(jiān)測,對超過國家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備,給予適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟處罰,以增強其對設(shè)備的監(jiān)管力度,對超標(biāo)用戶按相關(guān)政策處理.④嚴(yán)格業(yè)擴報裝審批手續(xù),對新上用戶設(shè)備的負(fù)荷特性嚴(yán)格審查,對大容量的諧波源,其相關(guān)的諧波抑制設(shè)備不配套,諧波注入量不達(dá)標(biāo),不予驗收送電.

“諧波污染”已經(jīng)成為電網(wǎng)內(nèi)三大公害之一.諧波治理是綜合治理過程,是改善供電品質(zhì)的重要手段.作為電力歸口管理部門有必要加強諧波治理方面的宣傳,強調(diào)諧波治理的重要性和投資回報.在對諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上,提出適合用戶的治理方案.只有各方面都重視起來,才能還電網(wǎng)一個干凈的環(huán)境,從而改善整個網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì),同時也能延長用戶設(shè)備使用壽命,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低電磁污染環(huán)境,減少能耗,提高電能利用率.

[1]GB/T14549-93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

[2]GB50227-1995.并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JB/T9663-1999.低壓無功功率自動補償控制器[S].

[4]朱軍.農(nóng)村電網(wǎng)電壓質(zhì)量和無功電力管理培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社,2005.

TM732

A

1009-1734（2010）S0-0161-03

2010-05-10

汪志浩,助理工程師,從事變電檢修管理研究.