供電系統(tǒng)中諧波的危害及治理措施

朱 亮

(長興縣供電局，浙江 長興 313100)

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，一些具有非線性、沖擊性、不平衡特征負(fù)荷，以及諧波豐富的應(yīng)用設(shè)備，如半導(dǎo)體整流和逆變裝置、變頻調(diào)速裝置等電力電子設(shè)備，都會產(chǎn)生不同程度的諧波，使得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(yùn)行，同時(shí)又增加了電能損耗，降低了經(jīng)濟(jì)效益.本文主要介紹諧波的來源，以及對電網(wǎng)及電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行造成的危害、目前長興縣級供電企業(yè)管理現(xiàn)狀等，提出解決諧波危害、提高供電質(zhì)量的相關(guān)對策.

1 諧波的來源與危害

電能質(zhì)量包括4個方面的相關(guān)術(shù)語和概念:電壓質(zhì)量，即用實(shí)際電壓與額定電壓之間的偏差(包括電壓幅值、波形和相位的偏差)，反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格;電流質(zhì)量，即對用戶取用電流提出恒定頻率、正弦波形要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運(yùn)行，這個定義有助于電網(wǎng)電能質(zhì)量的改善，并降低損耗[1-5].

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外，還可以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).不同頻率的諧波對不同的電氣設(shè)備具有不同的影響.

電網(wǎng)諧波主要來源于3個方面:一是發(fā)電電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波;二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波;三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波.其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多.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)，降低設(shè)備的效率，同時(shí)還會影響設(shè)備的正常工作，例如諧波會增大變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器的有效出力，造成變壓器局部嚴(yán)重過熱、噪音增大;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，加速其老化，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(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動等故障，使電氣設(shè)備絕緣部分老化、變質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞設(shè)備.

對輸電線路的危害主要有:由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨頻率的升高而增加;在集膚效應(yīng)的作用下，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體發(fā)熱，破壞絕緣，嚴(yán)重時(shí)造成短路，甚至引起火災(zāi).另外，由于輸電線路存在著分布的線路電感、對地電容及無功電容等電感和電容，它們與系統(tǒng)母線側(cè)及系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)，組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，可能會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，導(dǎo)致在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓，嚴(yán)重時(shí)會使電力系統(tǒng)或用電設(shè)備的絕緣被擊穿，造成惡性事故.

諧波對電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器元件的干擾較大，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(yùn)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(shí)會產(chǎn)生計(jì)量混亂，造成計(jì)量誤差.

用戶的電動機(jī)負(fù)荷約占整個負(fù)荷的85%，因此諧波對電力用戶電動機(jī)的影響最為明顯.諧波能使電動機(jī)產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩，會減少電動機(jī)的絕緣壽命.諧波產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩，會導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲和機(jī)械振動，產(chǎn)生很大的噪音.

對于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視，以及報(bào)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.其中電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng).

2 諧波的治理方法

諧波的危害很大，必須采取有效的手段避免或補(bǔ)償已經(jīng)產(chǎn)生的諧波.具體措施如下[6-10].

2.1 報(bào)裝把關(guān)與驗(yàn)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》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(yùn)行所注入電網(wǎng)的諧波電流和引起公共連接點(diǎn)至正弦波畸變超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用戶必須采取措施予以消除.”

作為供電部門，在用戶用電報(bào)裝時(shí)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(shí)，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(bào)告;審查設(shè)計(jì)圖紙時(shí)需充分考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(bào)告中對諧波有治理要求的，設(shè)計(jì)方案中應(yīng)一并考慮諧波的治理和監(jiān)測，諧波治理測試合格后方可供電.

2.2 減少諧波的技術(shù)

發(fā)電部門應(yīng)提高發(fā)電機(jī)制造的工藝水平，提高三相繞組的絕對對稱性及鐵心的均勻一致性，從源頭上減少諧波的產(chǎn)生，同時(shí)對輸送出的電流進(jìn)行檢測，不把電廠的諧波送到供電部門.對于供電部門來說，諧波的產(chǎn)生不可避免，既有來自上游發(fā)電部門的諧波，又有來自下游用電部門的諧波，還有自身產(chǎn)生的諧波，但是通過一定的技術(shù)手段，加強(qiáng)監(jiān)測，實(shí)時(shí)控制，并通過加大供電系統(tǒng)短路容量、提高供電系統(tǒng)的電壓等級、加大供電設(shè)備的容量、盡可能保持三相負(fù)載平衡等措施，可以提高電網(wǎng)抗諧波的能力.

此外，還可以定期開展諧波測試工作，對諧波超標(biāo)的變電站或線路進(jìn)行認(rèn)真分析，找出諧波源，加裝相關(guān)設(shè)施以減小諧波.

(1)運(yùn)用由L，R，C元件構(gòu)成諧振回路，可阻止與諧振回路的諧振頻率相同或相近頻率的諧波進(jìn)入電網(wǎng)，如在電力電子設(shè)備的交流側(cè)安裝無源濾波器;

(2)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趨向零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的;

(3)在諧波源處并聯(lián)加裝靜止無功補(bǔ)償裝置，可以有效減少諧波量的波動、改善功率因數(shù)、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力;

(4)將電容器組的某些支路改為濾波器或采取串聯(lián)電抗器，也可以采取限定電容器組投入容量的方式，避免電容器放大諧波.

3 縣級供電企業(yè)諧波治理存在的問題

目前，國家電網(wǎng)公司將諧波治理作為創(chuàng)建國家一流縣級供電企業(yè)考核驗(yàn)收的一項(xiàng)重要指標(biāo)，足以說明對縣級供電企業(yè)諧波治理的重視.但縣級供電企業(yè)在諧波治理方面存在不少問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面.

(1)對諧波的危害認(rèn)識不足.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(jì)算，在生產(chǎn)實(shí)踐中不易覺察，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了解.

(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(diǎn)強(qiáng)調(diào)用電安全性及功率因數(shù)等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對諧波產(chǎn)生的電網(wǎng)污染認(rèn)識不足.如長興縣供電局雖然在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(qiáng)客戶諧波源管理的若干規(guī)定》等文件，但是在確定用戶用電報(bào)裝及供電方案時(shí)，往往會忽略一些換流設(shè)備、變頻設(shè)備、電焊機(jī)等主要的諧波源.

(3)諧波治理的專業(yè)技術(shù)力量缺乏.由于諧波治理涉及電力電子、電力系統(tǒng)、電力自動化、電子測量、理論電工等專業(yè)，是一項(xiàng)專業(yè)性極強(qiáng)的工作，需要有專業(yè)力量去完成監(jiān)測、分析和治理.而在縣級供電企業(yè)中相關(guān)專業(yè)人才相對缺乏，諧波測控方式大都依賴省或市級電力公司的檢測機(jī)構(gòu).

(4)諧波治理的資金投入不足.諧波測量是一項(xiàng)比較繁瑣的工作，需要投入較大的人力物力，而諧波源治理又比較困難，為減少投入，用戶在購買設(shè)備時(shí)往往對諧波抑制設(shè)備配備很少，從而造成電網(wǎng)諧波抑制設(shè)備的缺乏.

(5)有效管理機(jī)制的缺乏.盡管國家已經(jīng)明確規(guī)定了諧波治理依據(jù)“誰污染，誰治理”的原則，但由于缺乏有效的制約手段，在實(shí)際工作中，供電部門往往只能對有治理意愿的用戶采取措施.用戶處在諧波管理的主導(dǎo)地位，這使客戶端的諧波管理顯得十分被動.

4 縣級電網(wǎng)諧波治理的措施

根據(jù)以上分析，筆者認(rèn)為，加強(qiáng)縣級電網(wǎng)諧波治理應(yīng)當(dāng)做好以下3項(xiàng)工作.

4.1 強(qiáng)化企業(yè)內(nèi)部的管理

(1)充分熟悉諧波對電網(wǎng)的危害，建立健全諧波治理體系.

(2)建立良好的客戶關(guān)系，提高服務(wù)質(zhì)量.用電客戶作為諧波治理重要的參與力量，是諧波治理的基礎(chǔ)，應(yīng)向用戶大力宣傳諧波的危害，爭取用戶的支持合作.

(3)加強(qiáng)對諧波治理工作的常態(tài)化管理，把諧波管理納入日常的生產(chǎn)管理中，通過制定《客戶端諧波管理辦法》，明確諧波管理的管理機(jī)構(gòu)、管理方式、管理標(biāo)準(zhǔn)，從制度上強(qiáng)化諧波的監(jiān)督管理.

(4)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(jì)處罰，以增強(qiáng)其對設(shè)備的監(jiān)管力度，對超標(biāo)用戶按相關(guān)政策進(jìn)行處理.

(5)對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置及產(chǎn)生的原因，為諧波治理預(yù)備充分的原始材料;在諧波變化較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù).

(6)對現(xiàn)有的諧波源，監(jiān)測站應(yīng)定期進(jìn)行諧波監(jiān)測，并逐步建立健全其技術(shù)檔案，且每兩年核查一次，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理.

(7)凡超過規(guī)定允許值的用戶應(yīng)實(shí)行專線供電，并裝設(shè)諧波保護(hù)和監(jiān)測裝置，對已接在公用線路供電的，以及已專線供電而未裝諧波保護(hù)和監(jiān)測裝置的，應(yīng)按上述要求期限一年內(nèi)由用戶自行改造完善.

(8)新裝的諧波保護(hù)裝置應(yīng)具有電流和電壓兩種啟動元件，保護(hù)定值按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)整定.保護(hù)裝置應(yīng)裝在供電局變電站出口處.

(9)當(dāng)用戶諧波超過定值導(dǎo)致保護(hù)動作，造成線路開關(guān)跳閘時(shí)，供電局諧波專門負(fù)責(zé)人應(yīng)書面通知用戶限期進(jìn)行治理.

(10)加大用電檢查力度，對已運(yùn)行的電能質(zhì)量污染源用戶進(jìn)行補(bǔ)立檔案，本著“誰干擾、誰污染、誰治理”的原則，進(jìn)行諧波源當(dāng)?shù)刂卫?

4.2 加強(qiáng)新建或增容諧波源用戶的管理

(1)新建或增容的諧波源用戶在報(bào)裝接電的設(shè)計(jì)審核中必須有諧波審查項(xiàng)目，對諧波值超標(biāo)的應(yīng)有相應(yīng)的治理措施.

(2)在工程交接驗(yàn)收試驗(yàn)中，新建或增容的諧波源用戶必須有監(jiān)測站的諧波測試報(bào)告.對監(jiān)測結(jié)果超標(biāo)的，不允許接網(wǎng)運(yùn)行.

(3)對新建或增容的諧波源用戶應(yīng)選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡.

4.3 增強(qiáng)電容器組的管理

(1)在設(shè)計(jì)電容器組時(shí)，設(shè)計(jì)部門應(yīng)根據(jù)連接點(diǎn)的電網(wǎng)參數(shù)，核算諧波諧振和放大的可能性，必要時(shí)應(yīng)實(shí)測背景諧波電壓和諧波阻抗，并進(jìn)行詳細(xì)核算.對于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，可在回路內(nèi)增設(shè)限流裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生.

(2)在電網(wǎng)或用戶集中安裝的大型補(bǔ)償(或?yàn)V波)電容器組施工驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)有諧波測試項(xiàng)目，電容器投運(yùn)時(shí)，實(shí)測諧波電壓放大率應(yīng)不大于1.5倍.否則，應(yīng)采取限制措施后方可投入運(yùn)行.

(3)可以利用電容器進(jìn)行集中補(bǔ)償、分散補(bǔ)償和就地補(bǔ)償.

5 結(jié)語

諧波治理是一個綜合治理過程，是改善供電品質(zhì)的重要手段，而目前農(nóng)村電網(wǎng)中高壓配電的許多用戶，對諧波的危害沒有引起足夠的重視，錯誤地認(rèn)為諧波治理是電力部門的事情.因此，作為電力歸口管理部門有必要加強(qiáng)諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波治理的重要性和投資回報(bào)，并在對諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，提出適合用戶的治理方案，以期為農(nóng)村電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障.

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