供配電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生、危害和故障分析

周連軍，魏雙亭，王新捷

（1.上海同濟(jì)大學(xué)，上海 200092； 2.天津市電工技術(shù)科學(xué)研究院，天津 300232）

引言

電是當(dāng)今社會(huì)不可或缺的能源，電能質(zhì)量也隨之被人們熟知，但各類電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使諧波問題越來越受到重視。它可以對(duì)電力系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)造成一系列安全隱患，它的非線性、隨機(jī)性、影響因素的復(fù)雜性可形成不可預(yù)知的潛在威脅。本文就三次諧波這一問題進(jìn)行探討。

目前在辦公樓、寫字樓和商場中大量使用電腦、電視、復(fù)印機(jī)等電子產(chǎn)品是造成線路中出現(xiàn)3 次諧波的主要因素，這就是在供配電線路中A、B、C 三相配電正常，N極線路發(fā)熱異常燒斷的因素之一。以下是我們使用電能測試儀FLUKE 43B 測得部分用電波形圖（圖1）所示。本文就這一問題進(jìn)行探討。

1 諧波的產(chǎn)生

1.1 諧波的分類

供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波有以下2 類：①暫態(tài)諧波：暫態(tài)諧波的產(chǎn)生是由負(fù)載突變、故障引起；②穩(wěn)態(tài)諧波：穩(wěn)態(tài)諧波是由非線性負(fù)載產(chǎn)生。

1.2 產(chǎn)生諧波的原因

辦公用的樓宇在供配電系統(tǒng)中諧波基本以3 次諧波為主, 更高次諧波逐級(jí)遞減(可以忽略) 。 產(chǎn)生諧波的主要原因有以下幾種：

1.2.1 電源側(cè)的非正弦波高次諧波是由發(fā)電機(jī)、變壓器、電力電容器、電抗器等非線性設(shè)備和元件生產(chǎn)的。這些設(shè)備和元件當(dāng)合閘、分閘時(shí)引起電壓、電流躍變會(huì)產(chǎn)生一些高次諧波。

1.2.2 電力電子裝置產(chǎn)生的諧波：目前電力電子裝置已成為最主要的諧波源。在各種電力電子裝置中整流裝置占的比例最大，常用的整流電流主要采用可控硅電路或二極管整流電路。其中，單相橋式和三相橋式整流電路產(chǎn)生的諧波對(duì)配電系統(tǒng)的污染最為嚴(yán)重，其次是直流側(cè)采用電容器濾波的二極管整流電流，也是嚴(yán)重的諧波源。例如：中央空調(diào)、空調(diào)器（特別是變風(fēng)量空調(diào)器）、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐、洗衣機(jī)等。

1.3 三相供配電系統(tǒng)中三次諧波對(duì)線路的影響

非正弦周期性交流電路的分析常采用傅里葉級(jí)數(shù)方法。

周期函數(shù) ，可表示成傅里葉級(jí)數(shù)：

當(dāng)電源包含高次諧波時(shí)，三個(gè)電源電壓在波形上相同，在時(shí)間上相差1/3 個(gè)周期，可以表示為：

可看出：

1）各次諧波都是奇次項(xiàng)的。

2）7,13 ,19 次等諧波與基波相位完全相同，組成正序三相電壓組。

3）5,11 ,17 次等諧波與基波相序相反，組成為A-C-B 負(fù)序三相電壓組。

4）3,9 ,15 次等諧波，uA, uB, uC的相位相差360°，稱為零序電壓。

可見，三相四線制供配電系統(tǒng)中的諧波經(jīng)傅里葉級(jí)數(shù)分析后，每一相線中均流過各自相的三序分量，而中性線將流過三相的三序分量，但經(jīng)過矢量疊加后只有三相的零序分量通過。

在電源相電壓中的零序諧波組，3 次諧波,沿電源回路之和將不等于零。回路中將有3k(k=1, 3, 5...)次諧波的環(huán)行電流，其有效值為：

由于各相3k 次諧波大小相等、相位相同故得出結(jié)論：

這時(shí)中性線中的電流為：

有效值為：

圖1 某商場一層3 次諧波監(jiān)測波形

三次諧波電流主要由單相非線性負(fù)載產(chǎn)生，由于三次諧波屬于零序諧波，在三相供配電網(wǎng)絡(luò)中，各相的相位差為120°，這正好是三次諧波電流的周期，每相負(fù)載內(nèi)的三次諧波電流在中線性匯集時(shí)，其瞬時(shí)值是直接同相相加，這個(gè)電流完全可能大于相線電流，使開關(guān)的N極長期發(fā)熱，甚至燒毀。

2 治理諧波

諧波治理就是通過各種措施減少諧波的產(chǎn)生或者使產(chǎn)生的諧波流入濾波設(shè)備，或者抵消產(chǎn)生的諧波，使供配電線路的諧波含量符合電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)GB 14549-2003的要求。就本文提出的問題，我們采用了兩種方案，①在商場變電室添加了電容器和電抗器組合的濾波器，由于成本高，在實(shí)際使用中我們只選用了三次諧波濾波器。②針對(duì)商場用電設(shè)備不均衡和初期樓宇設(shè)計(jì)與實(shí)際使用荷載容量不一致的情況，合理調(diào)配整理線路；同時(shí)在事故頻發(fā)線路中更換斷路器，改為N 極帶過流保護(hù)脫扣器的斷路器；最后經(jīng)過測試運(yùn)行后線路正常，未再出現(xiàn)線路故障問題。

3 結(jié)語

根據(jù)前面分析，為了保證線路中各種電子設(shè)備正常穩(wěn)定的工作，我們應(yīng)該采取相應(yīng)的措施、應(yīng)用新設(shè)備，減少電壓波動(dòng)及閃變，增加消諧設(shè)備提高電能質(zhì)量，消除電能污染。

[1]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M]. 北京：中國電力出版社,2010 .

[2]林海雪.電能質(zhì)量技術(shù)講座 [C]. 北京：中國電力科學(xué)研究院,2012.