電力系統(tǒng)諧波檢測與治理

田志新，錢先春

(江蘇銀佳企業(yè)集團有限公司技術(shù)部，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

隨著日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中，對電的需求不斷增加。電網(wǎng)裝機容量的不斷加大，大批量的電子元件被投入使用，導致大量的諧波電流流入至電網(wǎng)當中，從而對整個電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，需要加強諧波電流的檢測、消除以及管理工作，同時將諧波危害降到最低，以提高電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。

1 諧波危害

1.1 諧波對供配電線路產(chǎn)生的危害

電力系統(tǒng)中存在的諧波能使電網(wǎng)的電流與電壓發(fā)生變化。例如:引起熒光燈、計算機和調(diào)光燈等相關(guān)設(shè)備的負載。民用配電系統(tǒng)中的中性線會產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中，3次諧波的含量高達40%。在三相配電線路中，相線上3的整數(shù)倍諧波在中性線上會產(chǎn)生疊加，導致中性線上的電流值存在超過相線上電流的可能［1］。此外，相同頻率的諧波電流與諧波電壓也會產(chǎn)生同次諧波的有功功率以及無功功率，從而導致電網(wǎng)電壓降低，浪費電網(wǎng)容量。

1.2 諧波對電力設(shè)備的危害

(1)電容器的諧波危害。當諧波作用于電網(wǎng)時，電容器兩端電壓增加，此時電容中的電流隨之增強，造成電容器的功率損耗增加［2］。例如，膜紙介質(zhì)電容的諧波損耗功率為0，而諧波損耗為其功率的1.5倍。當諧波量較大并超過電容的最大允許量時，電流所造成的損耗則高于功率的1.5倍，電容溫度也會增高，而電容的絕緣介質(zhì)將加速老化。特別將電容器放進原本就已產(chǎn)生形變的電網(wǎng)中時，還會造成諧波的擴大。此外，因諧波的存在，電壓也會產(chǎn)生較大波動，時而產(chǎn)生尖頂波形，這種波形通常會導致局部放電，進而使溫度升高造成絕緣介質(zhì)加速老化，電容壽命大幅下降。

(2)對電纜的危害。電纜的電阻、系統(tǒng)母線以及線路感抗與系統(tǒng)是串聯(lián)的，提高功率因數(shù)所使用的線路容抗與電容器和系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電容與電感皆有發(fā)生諧振的可能。另外，由于諧波次數(shù)上升的頻率較高，同時電纜導體的截面面積越大，趨膚效應(yīng)則越明顯，進而使得導體的交流電阻增大，導致電纜允許通過的電流變小。

(3)對低壓開關(guān)設(shè)備的危害。對于配電用斷路器而言，熱磁型的斷路器由于導體的鐵耗增加引起發(fā)熱，會使脫扣電流與額定電流降低。全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增加而導致發(fā)熱，同時會使脫扣困難，主要原因是由于渦流與對電磁鐵的影響，而且諧波的次數(shù)越高，影響越大。電子型的斷路器，諧波的出現(xiàn)也將使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，其額定電流降低的更多。因此，對于上述3種配電斷路器均可能由于諧波的存在而產(chǎn)生誤動作。

2 檢測諧波的方法

2.1 造價相對高昂的模擬電路檢測法

該檢測方法在國內(nèi)被廣泛地應(yīng)用，但缺點是造價較高，且對頻率及溫度的反應(yīng)較為敏感，容易造成較大誤差，其誤差將對質(zhì)量產(chǎn)生影響。近年來正在進行研究的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對于模擬電路雖有較大優(yōu)勢，但其硬件實現(xiàn)仍存在困難。

2.2 比較常用的傅里葉變換

根據(jù)國內(nèi)電力系統(tǒng)諧波現(xiàn)狀的分析比較，現(xiàn)階段主要采用傅里葉轉(zhuǎn)換方法進行檢測，該方法主要適用于數(shù)字領(lǐng)域。缺點是進行采樣的信號長度具有一定限制，會導致對無限長度的信號無法進行采樣。

2.3 廣泛應(yīng)用的小波變換檢測

小波變換法相對于以上兩種方法應(yīng)用的更為廣泛，其是在語音識別與合成、信號分析、圖像處理與分析以及自動控制等領(lǐng)域均得到了應(yīng)用。該方法根據(jù)諧波的特點，制定了多種檢測的方式，小波變換彌補了上述提到的傅里葉變化無法檢測小波變換的不足，該方法可通過對諧波進行離散采樣，然后利用小波變換的特點對采集到的數(shù)字信號進行處理，以確保實驗檢測的精準度。小波變換的優(yōu)勢明顯，可實現(xiàn)自動調(diào)焦的功能，同時也可避免微小波動所帶來的影響，還可追蹤一些較為復雜的信號。因此，小波變換檢測在應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛認可。

3 電力系統(tǒng)中諧波的治理方法

供電企業(yè)對電力系統(tǒng)諧波的處理刻不容緩。治理好諧波不僅能抑制和治理諧波污染，還可提高企業(yè)的供電質(zhì)量［3］。通常電網(wǎng)諧波來自3個方面:(1)輸送電力的系統(tǒng)產(chǎn)生諧波。(2)發(fā)電源質(zhì)量低產(chǎn)生諧波。(3)用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。在這3者中，用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波較多。諧波需要一個綜合的治理過程，首先需要在源頭抓起，注重加強設(shè)備管理，以防諧波的出現(xiàn);其次需要各方提高對諧波危害的認識，要積極進行諧波的治理，以防止產(chǎn)生災(zāi)害。

3.1 諧波的治理需從提高電能質(zhì)量抓起

一方面要完善對現(xiàn)階段已有諧波源用戶設(shè)備了解，加強諧波治理的宣傳工作，使用戶主動進行整治。對于不合格者，應(yīng)限期整治，對于未按時完成整治的則停止供電。對于新建或擴容的非線性用戶在申請用電以及進行規(guī)劃設(shè)計時，要求其相關(guān)設(shè)備必須按照用電管理部門的相關(guān)規(guī)定進行配備，務(wù)必達到相關(guān)設(shè)備的參數(shù)要求和運行特點。在用戶接電使用前，需保證消諧波裝置達到使用標準，并經(jīng)檢測后才可進行供電。另外要選擇合理的變壓器、電動機和電抗器等相關(guān)設(shè)備，保證其接近滿負荷運行，盡可能使感應(yīng)電動機同步運行、限制用電設(shè)備空載運行，使得電動機軟啟動而非直接啟動，且要使電抗器不飽和運行，在源頭上防止諧波的產(chǎn)生并進行及時處理。

3.2 加裝設(shè)備有效抑制和治理諧波污染

(1)采用無源、有源濾波裝置，充分抑制非線性負載產(chǎn)生的諧波，消除由此而產(chǎn)生的諧波污染。無源濾波器是利用電感、電容諧振的相關(guān)原理進行“吸收”及“阻止”諧波，限制諧波進入公用電網(wǎng)，以確保低水平的電壓畸變率。按照接線的方式無源濾波器可分為并聯(lián)濾波、串聯(lián)濾波以及低通濾波。并聯(lián)濾波既能濾除多次諧波，又可對系統(tǒng)進行無功補償。串聯(lián)接入的濾波器主要是濾除3 N次諧波，又稱為零序性質(zhì)的諧波。低通濾波器主要是治理高次諧波。在電源接入端測量出存在諧波污染時，可安裝阻波線圈拒絕其產(chǎn)生，在有限制的情況下可使用并聯(lián)電容器的方法將諧波攬入“懷中”，防止其擴散產(chǎn)生威脅。有源濾波器的本質(zhì)是一個功率較大的諧波產(chǎn)生器，會通過諧波采樣裝置將其源頭發(fā)出的諧波進行采集，隨后完整地將其進行復制，再將相關(guān)諧波反方向接入到諧波源頭的入網(wǎng)點，用以產(chǎn)生與原諧波方向相反、大小相等的諧波，起到與原諧波相互抵消的作用。該大功率諧波器產(chǎn)生的諧波會跟隨污染源的變化而相應(yīng)變化，其接入方式也有串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器之分，是一種新型的濾波裝置，功耗、費用較高，但效果較好。

(2)利用無功補償進行諧波的治理，主要有集中和就地無功補償兩種。并聯(lián)電容器組雖能有效的調(diào)節(jié)波動電壓以及提高功率因數(shù)，但在某些情況下，當參數(shù)不符合條件時，會產(chǎn)生諧波放大作用，必須進行避免。改變與電容器串聯(lián)的阻流電抗器參數(shù)、減少補償電容器投入數(shù)量或增加補償網(wǎng)絡(luò)以及將電容器組的某一支路改變成濾波器等等，均可有效消除并聯(lián)電容器對諧波的放大現(xiàn)象。

(3)采用靜止調(diào)相機、動態(tài)電壓恢復器、固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)和不間斷穩(wěn)壓電源等相關(guān)裝置，用以調(diào)節(jié)電壓和系統(tǒng)功率因數(shù)、補償電源電壓閃變和波動、克服傳統(tǒng)機械開關(guān)反應(yīng)慢等弊端，保證對重要客戶的可靠供電，消除對電網(wǎng)造成的諧波污染［4］。

4 結(jié)束語

合理應(yīng)用電能質(zhì)量測試儀能夠大幅提高電能質(zhì)量的檢測及治理水平。同時還可建立先進可靠的電能質(zhì)量檢測網(wǎng)絡(luò)，及時反映和分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量低下的諧波相關(guān)源頭和故障原因。采取相應(yīng)的治理措施，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、安全并經(jīng)濟的運行，促進整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)步發(fā)展。

［1］呂潤馀.電力系統(tǒng)高次諧波［M］.北京:中國電力出版社，1998.

［2］陳偉華.電磁兼容實用手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［3］趙軍軍.一種新的電網(wǎng)諧波檢測系統(tǒng)［J］.電子科技，1998(2):53－55.

［4］席志紅，李婭，邊巒劍.基于混沌振子系統(tǒng)的電力諧波檢測研究［J］.電子科技，2010，23(7):74－76.