電網(wǎng)諧波現(xiàn)狀及治理過程中的問題淺析

摘 要：隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，用戶對用電能質(zhì)量的要求將越來越高，而現(xiàn)有市電網(wǎng)絡(luò)由于大量諧波分量的存在其所能提供的電能質(zhì)量可能滿足不了用戶的要求，因而諧波治理工作已越來越顯得重要和緊迫。結(jié)合我局實際情況，闡述10KV電網(wǎng)諧波形成原因、諧波源及危害，同時就常用的治理方法進行簡要分析。

關(guān)鍵詞：諧波 諧波源 原因 治理方法

中圖分類號：TM711 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）010-056-02

理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件（電阻、電感及電容）的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。而在供電系統(tǒng)中，由于許多非線性電氣負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時，就形成了非正弦電流，此時其電壓、電流波形實際上不是完成的正弦波形，而是不同程度畸變的非正弦波。此類周期性的非正弦波電氣量均可用傅里葉級數(shù)分解成基波分量和具有基波頻率數(shù)倍的諧波分量。

1 諧波及產(chǎn)生原因

近年來隨著非線性設(shè)備的大量使用，使得諧波問題更加突出，產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型及數(shù)量均已劇增，并將繼續(xù)增長。我局實際注入10KV配電網(wǎng)絡(luò)諧波其主要由下列幾類非線性設(shè)備的應(yīng)用所致：

（1）傳統(tǒng)非線性設(shè)備，包括變壓器、旋轉(zhuǎn)電機及電弧爐等。

變壓器：由于變壓器所使用的磁性材料通常在接近非線性或就在非線性區(qū)域運行，在此性況下即使所加的電壓是正弦的，變壓器的勵磁電流也是非正弦的，包含一定的諧波分量。

旋轉(zhuǎn)電機：由于電機內(nèi)部線槽分布不可能嚴(yán)格按照正弦形分布，使得產(chǎn)生的磁動勢產(chǎn)生畸變。

電弧爐：煉鋼電弧爐因電弧的負(fù)阻特性和溶化期的三相電極反復(fù)不規(guī)則短路和斷弧，故而產(chǎn)生諧波及電壓閃變。

（2）現(xiàn)代電力電子非線性設(shè)備：包括氣體放電燈，晶閘管控制設(shè)備等。

氣體放電燈如熒光燈，每隔半個周波電壓被建立起來直至被點亮，在點亮狀態(tài)下熒光燈呈負(fù)電阻特性，其電流由咸性的非線性鎮(zhèn)流器來限制，因此電流是畸變的，主要由大量城鎮(zhèn)路燈引起。

晶閘管控制設(shè)備包括整流器、逆變器、變頻器等，對此類設(shè)備其輸入或輸出的電源為非正弦波，存在大量諧波分量。

（3）家用電器：電視機、UPS電源、計算機、微波爐等由于設(shè)備中大量采用非線性元件，導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生。

上述設(shè)備在運行中產(chǎn)生大量高次諧波電流少量直接通過高壓用電設(shè)備注入10KV供電系統(tǒng)，主要是由低壓用電設(shè)備產(chǎn)生后通過10KV配電變壓器注入，在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生相應(yīng)頻率的諧波電壓，使系統(tǒng)電壓產(chǎn)生畸變，對電網(wǎng)造成污染。

2 諧波的危害

但近年來，這個問題因為同時出現(xiàn)兩種趨勢變得更加重要：（1）電力企業(yè)為改善功率因數(shù)而大量增加使用電容器組；（2）工礦企業(yè)為提高系統(tǒng)的可靠性和效率而廣泛使用電力電子變流器。因廣泛使用電力電子變流器所產(chǎn)生的諧波電流與功率因數(shù)校正電容器組相互作用會導(dǎo)致電壓和電流的放大效應(yīng)，帶來更大的危害。

諧波對電網(wǎng)中運行設(shè)備及用戶設(shè)備的危害是相當(dāng)大的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）諧波對旋轉(zhuǎn)電機的影響。諧波對旋轉(zhuǎn)電機的主要影響是引起附加損耗，其次是產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓。

（2）諧波對供電變壓器的影響。諧波電流不但引起變壓器繞組附加損耗，也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并且有可能引起局部的嚴(yán)重過熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成的流經(jīng)變壓器的諧波電流在諧振條件下可能損害變壓器。

（3）諧波對晶閘管控制設(shè)備的影響。交流電網(wǎng)的電壓畸變可能引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器的工作不穩(wěn)定；而對逆變器則可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設(shè)備。

（4）諧波對并聯(lián)補償電容器和電纜的影響。諧波會引起電容器局部放電，加速電容器介質(zhì)老化，縮短使用壽命。在一定條件下諧波極易與無功補償電容器組引起諧振或諧波放大，從而導(dǎo)致電容器因過負(fù)荷或過電壓而損壞；對電力電纜也會造成電纜的過負(fù)荷或過電壓擊穿。國內(nèi)外在這方面的教訓(xùn)是深刻的，國內(nèi)在許多電力系統(tǒng)和用戶系統(tǒng)內(nèi)都發(fā)生過無功補償電容器組無法投入運行，大批電容器損壞的事故。

（5）諧波對通信的干擾和影響。諧波通過電容耦合、電磁感應(yīng)和電氣傳導(dǎo)會感應(yīng)到通信線路上，可能損害通話的清晰度，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，威脅通信設(shè)備和人員的安全。

（6）諧波對繼電保護和自動裝置的影響。諧波對繼電保護和自動控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動和拒動，尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值強大、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作。

（7）諧波將使用戶無法正常投切電容，直接導(dǎo)致用戶的功率因數(shù)低，造成用戶經(jīng)濟損失，供電企業(yè)線路及變壓器損耗增加，同時降低了變壓器的供電能力。

3 諧波治理方法淺析

諧波問題的解決方法可分為預(yù)防性和補救性兩類。預(yù)防性解決辦法主要指變流器中的相位抵消或諧波控制：

（1）如采用多相整流變壓器。變更整流變壓器副線圈方繞組的連接方法，可以獲得多相整流電路，相數(shù)越多，整流電壓中的最低諧波頻率越高，幅值越小，利用三相雙副繞組變壓器可連接成12相整流電路，一般可取得較好的效果。

（2）對于多臺相數(shù)相同的整流器，宜使整流變壓器的二次側(cè)有適當(dāng)?shù)南嘟遣?，可使諧波電流相互抵消。

如對新建工程應(yīng)采用預(yù)防性的解決方法，在設(shè)備選型中考慮諧波問題，在訂貨時應(yīng)向變壓器廠說明變壓器的用途，以及變壓器接線的組別，一般不需要增加額外的費用，而且對于特定的諧波治理效果比較好。

對于已投產(chǎn)的裝置，如無改造可能或改造費用過高，則應(yīng)考慮補救性的解決方法：

（1）如裝設(shè)各種類型的濾波器。即在換流裝置附近接入濾波器是抑制和吸收高次諧波最常用的一種有效措施。目前國內(nèi)有以下幾種類型：1）單頻率調(diào)諧濾波器；2）雙頻率調(diào)諧濾波器；3）高通濾波。這里要指出的是系統(tǒng)對高次諧波的頻率有可能發(fā)生諧振現(xiàn)象，所以必須進行驗算。

（2）用有源諧波補償改善波形畸變。有源諧波補償是目前消除交流電源側(cè)諧波，改善波形畸變的新型補償方法，不需要多個諧波濾波器，只要一套有源濾波補償裝置即可，能隨機補償，特別是非特性諧波能起到更好的補償效果。但其造價很高，對低端用戶較少采用。

我局下屬用戶正在安裝或試運行的消諧設(shè)備主要為單頻率調(diào)諧濾波器因為單頻調(diào)諧濾波器濾是目前應(yīng)用較為普遍的一種模式，在這里筆者將作詳細(xì)的介紹。單頻率調(diào)諧濾波器目前有二種模式：第一為電抗器串聯(lián)電容器組組成波器，0.38KV由交流接觸器控制投切，10KV由真空開關(guān)控制投切，該方案較為簡單；另一種也是電抗器串聯(lián)電容器組組成濾波器，但由晶閘管控制投切。該方案由專門的控制保護單元，可靠程度高，但造價較前一種要高。

由于在運行過程中無功功率經(jīng)常變化，如果采用傳統(tǒng)的手動操作方式，首先必須指派專人跟蹤操作，同時，手動操作采用交流接觸器，投切次數(shù)有限，觸頭極易燒壞。另外，投切不可能做到過零，電容器沖擊涌流大，操作過電壓大，不可能作到實時快速投切；采用晶閘管控制的自動投切方式較為合理，但造價較高，不過隨著容量的增大，其造價也下來。因此在小容量的治理上應(yīng)以傳統(tǒng)的為主，在容量較大時宜采用晶閘管投切。

在變流器容量較大的用戶，由于無功補償電容器雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象。為避免諧波電流大幅度增加，導(dǎo)致電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大等現(xiàn)象的發(fā)生，同時導(dǎo)致電容器組無法正常投切，因此諧波治理與無功功率補償必須同時進行。

4 結(jié)束語

作為企業(yè)應(yīng)提供給客戶優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，而作為供電企業(yè)產(chǎn)品的電能也應(yīng)如此，而衡量電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)除電壓、頻率外，波形也是一個重要的指標(biāo)，因此為保證廣大電力客戶獲得優(yōu)質(zhì)的電源，治理導(dǎo)致波形畸變的諧波刻不容緩。作為供電企業(yè)或電力職工在諧波治理方面，應(yīng)盡力降低系統(tǒng)背景諧波的同時，主要應(yīng)加強政策宣傳，及諧波的危害性宣傳，諧波治理的經(jīng)濟效益及社會效益，使諧波源用戶能認(rèn)識到治理的必要性，主動采取措施，使諧波治理納入良性循環(huán)。

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