電力用戶諧波分析與治理

【摘要】簡要分析了用戶諧波產(chǎn)生的原因，并結(jié)合蘇州市吳江地區(qū)現(xiàn)狀，分析了諧波源的實(shí)際狀況。分析了諧波在電力運(yùn)行中的危害，并提出了治理諧波的措施。

【關(guān)鍵詞】諧波；分析；治理

一、用戶諧波產(chǎn)生的原因分析

電力系統(tǒng)的諧波是電力系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生畸變的表征。諧波的產(chǎn)生來自于電力電子設(shè)備、非線性阻抗設(shè)備和其它方面的干擾。通過對吳江地區(qū)用戶諧波源情況的調(diào)查，并對該地區(qū)負(fù)荷特性進(jìn)行分析，吳江地區(qū)用戶諧波源主要分為兩種：一種是相對集中的較大諧波源，如金屬冶煉等。對這類諧波源，由于用電負(fù)荷相對集中，供用電雙方就諧波治理容易達(dá)成共識，也容易落實(shí)治理措施。另一種是分散的各類變頻器。絲綢紡織行業(yè)是吳江地區(qū)的支柱產(chǎn)業(yè)，在近年來不斷的技術(shù)改造中，其生產(chǎn)設(shè)備都采用了變頻器。用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，因其節(jié)能效果顯著、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡單，被廣泛應(yīng)用。它把工頻（50Hz）變換成各種頻率的交流電，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行。由于變頻器輸入部分為整流電路，輸出部分為逆變電路，這些都是由非線性元件組成的，在開斷過程中，其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波，諧波通過輸入電源端對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響。雖然單臺的諧波電流不大，但由于其數(shù)量多、總量大，諧波產(chǎn)生的干擾就不可低估；而且由于其點(diǎn)多面廣，給治理工作帶來了難度。例如吳江地區(qū)某公司為電纜生產(chǎn)配套企業(yè)，用戶在2009年3月向我公司反映主變開關(guān)經(jīng)常無故跳閘，造成停產(chǎn)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)秩序，希望供電部門給予解決。我們對該用戶進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)用戶使用的主要用電設(shè)備為三部分：熔化爐、扎機(jī)、熱處理爐，其中大功率軋機(jī)采用了意大利安賽爾多變頻器（800kW一臺、200kW二臺），變頻器采用大功率非線性元件為典型的諧波設(shè)備，是主要諧波源，很可能是造成無故跳閘的主要原因。所以我們對其進(jìn)行了測試、分析，情況如下：

1、測試波形數(shù)據(jù)及說明

圖1-1為0.4kV同類型變頻器電流電壓柱形圖，可以看出諧波電流總畸變率超過27%，諧波電流主要分布在5、7次。圖1-2為變頻器進(jìn)線側(cè)A相電流電壓波形圖，可以看出電流波形由于變頻器（非線性開關(guān)元件）的使用而產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變。

2、800kW一臺和200kW二臺變頻器在0.4kV側(cè)測量值、諧波電流理論計(jì)算值如下表（功率因數(shù)取0.9）

從上表可以看出大功率變頻器在工作時(shí)，產(chǎn)生的大量諧波電流各次均不同程度超標(biāo)。而該公司變壓器開關(guān)為剩余電流斷路器，配有脫扣器。由于大量諧波引起的零序電流之和大于斷路器額定限值，脫扣器就會作用于開關(guān)跳閘，從而引起了該公司變壓器開關(guān)的誤動(dòng)。剩余電流斷路器在吳江地區(qū)被廣泛采用，所以該公司的情況并不是特例，而是在整個(gè)吳江地區(qū)廣泛存在的。這更體現(xiàn)了尋找一種適合于吳江地區(qū)諧波治理措施的必要性和迫切性。

下面我們來探討一下諧波在電力運(yùn)行中的危害和各種治理措施，并找出適合吳江地區(qū)采用的諧波治理措施。

二、諧波在電力運(yùn)行中的危害

在實(shí)際的電力運(yùn)行中，電壓畸變、過零噪聲、中性線過熱、變壓器過熱、斷路器的誤動(dòng)作等都是有諧波引起的常見多發(fā)問題。下面我們來談?wù)勚C波對電力系統(tǒng)中各主要元器件的影響。

1、諧波對變壓器的影響

諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力；諧波導(dǎo)致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，影響工作人員的身心健康。

2、諧波對同步電機(jī)的影響

諧波對同步電機(jī)的影響是在發(fā)電機(jī)定子中產(chǎn)生集膚效應(yīng)，引起附加損耗，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過電壓。

3、諧波對并聯(lián)補(bǔ)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(bǔ)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。

4、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，可能影響通話質(zhì)量，甚至在極端情況下，威脅通信設(shè)備和人員的安全。

5、諧波對繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響

諧波對繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)、拒動(dòng)，尤其是一些衰減時(shí)間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，更容易引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。

三、諧波的治理

目前，諧波的抑制主要采?。簾o源濾波、有源濾波、無源和有源濾波混合型等技術(shù)。

1、無源濾波技術(shù)

無源濾波技術(shù)為傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償技術(shù)，即使用電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器（PF），與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需要的無功功率。無源濾波器雖然具有簡單、方便的優(yōu)點(diǎn)， 但也存在著缺點(diǎn)： 只能抑制特定的幾次諧波，但對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大，在特定情況下可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振；只能補(bǔ)償固定的無功功率，對變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償；其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且有時(shí)很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)；有效材料消耗多、損耗大，重量與體積較大等。此技術(shù)適用于對電動(dòng)機(jī)控制器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行過濾，需解諧濾波器配合使用。

2、有源濾波技術(shù)

有源濾波器（APF）是通過檢測電路檢測出電網(wǎng)中的諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流分量并注入到電網(wǎng)中，修正電流波形，達(dá)到消除諧波的目的。APF濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。與PF相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補(bǔ)償無功電流，性價(jià)比較為合理。另外，APF具有自適應(yīng)功能，與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，不影響基波，只需要匹配合理的濾波器容量就能達(dá)到很好的濾波效果。此技術(shù)適用于各種場合下的諧波過濾，并且有成熟的產(chǎn)品可供選擇，是一種日益廣泛應(yīng)用于電力系系統(tǒng)中諧波治理的技術(shù)。上面提到的該公司，諧波治理的方案就是采用安裝APF有源濾波器的方法。為這三臺變頻器各配置一臺APF有源濾波器，規(guī)格分別為200A一臺、100A兩臺，就近安裝于三臺變頻器配電線路側(cè)，以保證大部分的諧波被消除。消諧裝置安裝后，我們對該用戶進(jìn)行了多次測試，測試數(shù)據(jù)全部符合國家標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量得到了極大改善，并解決了用戶反映的開關(guān)無故跳閘問題。（測試數(shù)據(jù)見圖1-3）

3、無源和有源濾波混合技術(shù)

無源和有源濾波混合型裝置（HAPF）中使用大容量的無源L-C 濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波、進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，而串聯(lián)型APF只承擔(dān)消除高次諧振及阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振的任務(wù)，從而使串聯(lián)型APF的電流、電壓額定值大大減小（功率容量可減少到負(fù)載容量的5%以下），降低了APF的成本和體積。無源和有源濾波混合型裝置能補(bǔ)償動(dòng)態(tài)無功、濾波性能好，不產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，初始投資和運(yùn)行費(fèi)用都比較低。此技術(shù)是前面兩種技術(shù)的混合，吸取了前兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，唯一缺點(diǎn)就是投資較前兩種技術(shù)大，適用于對諧波過濾要求比較高的場合。采用有源濾波技術(shù)產(chǎn)品在吳江地區(qū)有了成功治理諧波的案例，而且綜合性價(jià)比合理，適合吳江地區(qū)的電網(wǎng)環(huán)境，是值得在吳江地區(qū)推廣的一種諧波治理方式。當(dāng)然除了上述技術(shù)外，我們在實(shí)際供電系統(tǒng)可以采用比較簡單的方法來降低諧波對電網(wǎng)的影響。比如選用Dyn接線的變壓器，在三相四線系統(tǒng)中增大中性線的截面積，選用能檢測電流均方根值的斷路器等。這些方法配合各種濾波技術(shù)，都可以將諧波對電網(wǎng)的影響降低到最小，減少用戶對諧波治理的投資。

結(jié)束語

解決供電系統(tǒng)中的諧波問題，是個(gè)系統(tǒng)工程，必須要供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商三方面都齊心協(xié)力。蘇州市吳江供電公司在業(yè)擴(kuò)流程中，嚴(yán)格執(zhí)行審批手續(xù)，對新上用戶設(shè)備的負(fù)荷特性嚴(yán)格審查，對于新投產(chǎn)的項(xiàng)目，必須根據(jù)用戶用電負(fù)荷性質(zhì)對電能質(zhì)量造成污染的影響，加裝消諧裝置。尤其對大容量的諧波源，其相應(yīng)的消諧裝置需組織驗(yàn)收，驗(yàn)收不合格，不允許接電；接電后，還要進(jìn)行諧波實(shí)測，如果實(shí)測諧波超過國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定時(shí)，不允許該設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)行。在圖紙審查時(shí)，根據(jù)用戶負(fù)荷性質(zhì)情況，10（20）kV高供高計(jì)電力用戶在進(jìn)線側(cè)裝設(shè)在線諧波監(jiān)測裝置，待投運(yùn)后可不定期進(jìn)行測試，遇有不達(dá)標(biāo)的，嚴(yán)格要求用戶整改。一系列的措施，為吳江電網(wǎng)的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行打下了良好的基礎(chǔ)。

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