電網(wǎng)諧波問(wèn)題的分析與解決方法

摘 要進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，為我國(guó)電力行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了極大的推動(dòng)作用，尤其是農(nóng)村電力的發(fā)展，有效的滿足了人們的多樣化用電需求。但是，在農(nóng)村地區(qū)，因?yàn)橥度肓溯^多的非線性負(fù)荷，因此，日益嚴(yán)重的諧波污染開始出現(xiàn)在農(nóng)村電網(wǎng)中，所以，本文通過(guò)分析農(nóng)村地方電網(wǎng)的諧波之后，制定出了一套科學(xué)的治理對(duì)策。那么，通過(guò)本文對(duì)相關(guān)內(nèi)容的分析與闡述，從而為有關(guān)單位及工作人員在實(shí)際工作中提供一定的幫助作用，為促進(jìn)保證我國(guó)農(nóng)村穩(wěn)定、安全的用電提供相應(yīng)的保障。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)村地方 電網(wǎng)諧波分析 治理分析

在科技發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)農(nóng)村電網(wǎng)也取得了前所未有的發(fā)展，很多工業(yè)開始向農(nóng)村轉(zhuǎn)移，這樣很多輸電線路都要被重新建設(shè)與改造；其次，對(duì)于現(xiàn)存的電力資源還應(yīng)該高效的進(jìn)行應(yīng)用，將電力損耗降低。因?yàn)橛胁黄胶獾呢?fù)荷存在于農(nóng)村電網(wǎng)中，很多設(shè)備都屬于高能耗。因此，就會(huì)有越來(lái)越嚴(yán)重的諧波污染出現(xiàn)在這些設(shè)備中，從而就會(huì)嚴(yán)重的影響著農(nóng)村供電系統(tǒng)。所以，如何確保我國(guó)農(nóng)村電力行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，就需要有關(guān)部門及工作人員在工作中將諧波污染問(wèn)題高度的重視起來(lái)。

1 問(wèn)題的闡述

近些年來(lái)，在經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展的推動(dòng)下，加快了我國(guó)農(nóng)村本身地方產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新建了許多工廠，例如小煤礦廠、鋼鐵廠、水泥廠等。一些企業(yè)為了穩(wěn)固生產(chǎn)成本，多數(shù)都開始由城市轉(zhuǎn)移到鄉(xiāng)村，成為了農(nóng)村工業(yè)隊(duì)伍中的一份子。并且，隨著農(nóng)民生活水平的日益提升，農(nóng)村家庭中的家電種類和數(shù)量也越來(lái)越多，對(duì)應(yīng)的，也就會(huì)逐漸的增加農(nóng)村電網(wǎng)負(fù)荷的數(shù)量和種類，并且，有很多的晶閘管可控開關(guān)、電弧爐、換流裝置等非線性設(shè)備存在于這些負(fù)荷中，這些投入及應(yīng)用，就會(huì)將越來(lái)越多的高次諧波注入到農(nóng)村電網(wǎng)中，進(jìn)而畸變問(wèn)題也不斷出現(xiàn)在電流諧波和電網(wǎng)諧波中，從而就會(huì)逐漸的降低電能質(zhì)量，問(wèn)題輕則會(huì)增加發(fā)熱量、自動(dòng)裝置與繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作、機(jī)械與電氣諧波、元件功率損耗等。一旦問(wèn)題嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致重大事故出現(xiàn)在電力系統(tǒng)中。

1.1 變壓器濾波故障

有很多的電力變壓器存在于配電與輸電系統(tǒng)中，由于有飽和問(wèn)題容易出現(xiàn)在變壓器內(nèi)鐵心中，在磁化曲線近飽和段上存在額定工作磁密度和磁化曲線的非線性特征。這樣就造成有尖頂形出現(xiàn)在磁化電流中，有很多的奇次諧波存在于內(nèi)部。越高的變壓器鐵心飽和度，就在線性更遠(yuǎn)的距離處存在工作點(diǎn)，從而就會(huì)有越大的諧波電流，一旦問(wèn)題較重，三次諧波電流，同額定電流的5%相吻合。如下表為某地母線電壓的諧波情況。

通過(guò)表1能夠得知，同負(fù)荷高峰進(jìn)行比較，負(fù)荷低谷時(shí)就會(huì)將10KV母線電壓提升5%左右，然而，卻在很大程度上提升了諧波電壓值，尤其是提升了1倍左右的諧波，也提升了近一倍的總諧波，這樣電能質(zhì)量相關(guān)規(guī)定中的諧波限定值就會(huì)被10KV母線諧波電壓所超過(guò)。

1.2 保護(hù)裝置受諧波影響

自動(dòng)控制裝置與繼電保護(hù)裝置會(huì)受到諧波的影響，從而出現(xiàn)拒動(dòng)和誤動(dòng)問(wèn)題，例如，有諧波分量容易出現(xiàn)在變壓器空載合閘激磁涌流中，這樣誤動(dòng)作問(wèn)題就極易出現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置中。

1.3 諧波問(wèn)題出現(xiàn)在電弧爐中

在鄉(xiāng)鎮(zhèn)的冶煉企業(yè)中廣泛的應(yīng)用了中頻電弧爐，它有著投資少、技術(shù)含量低的特征，它是污染農(nóng)村電網(wǎng)的主要諧波。有很多的諧波電流被電弧爐生成出來(lái)，從而就會(huì)有非常嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題出現(xiàn)在農(nóng)村電網(wǎng)中。尤其是農(nóng)村電網(wǎng)內(nèi)部的一些不合理的供電形式，居民用戶同鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)應(yīng)用同一條供電線路，這樣用戶家電被燒毀和用戶計(jì)量表被燒毀的問(wèn)題就會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

2 諧波所帶來(lái)的傷害

在應(yīng)用了大量的電弧爐、中頻爐后，這樣會(huì)有很多的諧波電流出現(xiàn)，從而造成有畸變問(wèn)題出現(xiàn)在電壓正弦波中。

諧波會(huì)將一定的附加損耗帶給供電線路。因?yàn)猷徑?yīng)和集膚效應(yīng)，隨著頻率的增加，線路電阻也會(huì)增加，從而就會(huì)嚴(yán)重的浪費(fèi)掉一部分電能，正常的情況給下，不會(huì)有過(guò)大的電流從中性線中流過(guò)。因此，它具有較細(xì)的導(dǎo)線，當(dāng)在中線流過(guò)的電流產(chǎn)生三次諧波時(shí)，可能會(huì)造成導(dǎo)線發(fā)熱、導(dǎo)線絕緣老化、損壞導(dǎo)線，一旦問(wèn)題嚴(yán)重，還會(huì)造成火災(zāi)問(wèn)題的出現(xiàn)。

諧波還會(huì)誘發(fā)公眾電網(wǎng)的串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振，進(jìn)而就會(huì)不斷的放大諧波，從而嚴(yán)重的影響著電網(wǎng)的運(yùn)行效果。

同時(shí)，各個(gè)用電設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性也會(huì)受到諧波的影響，造成也有振動(dòng)、發(fā)熱等現(xiàn)象出現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)等設(shè)備中，對(duì)電子裝置的工作精度帶來(lái)影響，從而縮短設(shè)備壽命、損壞家用電器、降低產(chǎn)品質(zhì)量。

諧波造成難以投運(yùn)電網(wǎng)10KV電容補(bǔ)償裝置。例如這樣的案例，在某個(gè)工業(yè)園區(qū)中，因?yàn)楹芏鄦挝欢紤?yīng)用了中頻爐，并且他們的電流分量和電壓的分量都嚴(yán)重的超標(biāo)，所以，造成難以正常的投運(yùn)10KV饋出線路分散補(bǔ)償電容，因此，就會(huì)出現(xiàn)較低的功率因素，增加功率損耗。

3 分析諧波

在整個(gè)農(nóng)村負(fù)荷用電量中，農(nóng)村地方工業(yè)用戶的用電量占據(jù)了30%左右，可以說(shuō)它占據(jù)著很大的比例，很多城市所限制的非線性負(fù)荷用電企業(yè)開始紛紛的轉(zhuǎn)入到鄉(xiāng)村，成為了地方工業(yè)用戶中的一部分，所以說(shuō)，農(nóng)村電網(wǎng)的諧波源就是由這些非線性的負(fù)荷所構(gòu)成的，比如，石灰廠、小煤礦廠、水泥廠等。在交流側(cè)會(huì)有大量的高次諧波生成于換流器交流-直流轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，在分析了12相整流電路后得知，可以用以下公式表示電網(wǎng)側(cè)總電流：

在這個(gè)式子中，變壓器的變化用N表示，恒定直流電流用Id表示，在交流電路中總共有12K±1次的特征諧波出現(xiàn)在換流的過(guò)程中，K的值取正整數(shù)。在一般的情況下都可適用，一旦換流器的脈動(dòng)在各個(gè)基波周期中都是P，這樣就會(huì)有N=KP±1的特征諧波出現(xiàn)在交流電路中，從而就會(huì)嚴(yán)重的污染的整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行系統(tǒng)。

在整個(gè)電力系統(tǒng)中，例如，一些工廠所使用的電弧爐為其中一個(gè)非常關(guān)鍵的諧波源。有這樣幾個(gè)原因會(huì)誘導(dǎo)電路產(chǎn)生諧波：首先，電弧和電弧起燃延遲的高度都屬于非線性；其次，有著一定的隨機(jī)性存在于電弧爐負(fù)載中。在電流過(guò)零時(shí)，會(huì)熄滅交流電弧，當(dāng)弧隙的介質(zhì)電壓被弧隙電壓超過(guò)時(shí)，就會(huì)再次增加其電壓強(qiáng)度，從而造成有不連續(xù)的電弧電流波形出現(xiàn)；因?yàn)榉蔷€性的伏安特性存在于電弧中，這樣隨著不斷增大的電流，電阻就會(huì)被降低。所以，電壓和電弧電流都會(huì)出現(xiàn)較大的畸變，一旦能夠穩(wěn)定的燃燒電弧，這樣基波生成整數(shù)倍諧波。在熔化期，負(fù)載的隨機(jī)性較強(qiáng)，電弧間電磁力互相作用和正在熔化爐料持續(xù)運(yùn)動(dòng)，所以，這樣就會(huì)十分明顯的隨機(jī)性出現(xiàn)在電弧爐的諧波中。在基波量的20%左右控制著高次諧波幅值，并且，這樣的概率會(huì)達(dá)到70%左右，因此，就會(huì)有非常嚴(yán)重的諧波。

4 治理諧波

4.1 治理諧波的總則

110KV及其以下為我們國(guó)家農(nóng)村電網(wǎng)電壓的基本壓值范圍，500MV·A左右為短路容量范圍，所以，對(duì)諧波的承受能力不強(qiáng)，受干擾和諧波的危害就非常的嚴(yán)重。為了避免系統(tǒng)不受諧波影響，要按照GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)去做。

4.2 治理農(nóng)村電網(wǎng)諧波

在運(yùn)行統(tǒng)計(jì)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)于很多負(fù)荷點(diǎn)的諧波，農(nóng)村地方電網(wǎng)都不能夠給予滿足，諧波源在其中通常都比較大。例如煤礦的脈動(dòng)整流設(shè)備和鋼廠的電弧爐等，這樣才會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)值以外存在著注入的諧波電壓值。因此，主要應(yīng)該從較大的諧波源出發(fā)來(lái)對(duì)農(nóng)村地方電網(wǎng)的諧波污染進(jìn)行治理，將最為合適的抑制對(duì)策制定出來(lái)，將電弧爐與換流器所導(dǎo)致的諧波電壓控制在合理的范圍內(nèi)，從而將電網(wǎng)的安全運(yùn)行效率提升上來(lái)，從而有效的保障用戶設(shè)備與電網(wǎng)電能設(shè)備的質(zhì)量，所以，應(yīng)該針對(duì)這樣幾個(gè)方面進(jìn)探究：

n=kp±1為換流器的特征諧波，一旦將換流裝置脈動(dòng)數(shù)P增加進(jìn)去，對(duì)應(yīng)的也會(huì)增加n的值，同時(shí)Ii/n≈In，因此，利用將換流器相數(shù)增加的方式，用12脈動(dòng)整流取締6脈動(dòng)整流，從而實(shí)現(xiàn)降低諧波和實(shí)現(xiàn)平滑波形的目的。

在分析了三相橋式整流器換相經(jīng)過(guò)之后，發(fā)現(xiàn)隨著不斷增大的電抗觸發(fā)角，換相角也會(huì)隨之而增大，但是，隨著出現(xiàn)越大的換相角，就會(huì)有越平滑的波形變化，這樣同正弦波就越接近，從而就會(huì)在某種程度上改變換流器的內(nèi)部構(gòu)造，降低觸發(fā)角，增加換相電流，對(duì)諧波的電流進(jìn)行有效的限制。

應(yīng)該從源頭出發(fā)抑制直流電弧爐所帶來(lái)的諧波污染，從源頭開始，就是在系統(tǒng)中接入電弧爐后，就需要將合理的接入點(diǎn)選擇出來(lái)，同時(shí)，需要有足夠大的接入點(diǎn)系統(tǒng)短路容量。由于電網(wǎng)有著較大的短路容量，這樣就會(huì)有較強(qiáng)的諧波承受能力，而且，還可以將小額定值的濾波器裝設(shè)在接入點(diǎn)附近，將無(wú)源濾波器配置于其中。

對(duì)于基波有源電力濾波器難以有效的予以承受，所以，可以對(duì)額定值小、容量小的裝置進(jìn)行應(yīng)用。通常利用無(wú)源濾波器就可以補(bǔ)償諧波，從而就可以將諧波有效的降下來(lái)。通常有串并聯(lián)、電容器和電抗器串聯(lián)一同構(gòu)成了無(wú)源濾波器，在一些概率范圍內(nèi)調(diào)控諧波頻率，所以，可以將需要濾掉的諧波吸收掉；諧波隔離器是有源濾波器的一大特征，對(duì)無(wú)源濾波器的濾波特性予以改善，這樣電源阻抗就不會(huì)影響到無(wú)源濾波器，并且，有諧振問(wèn)題容易出現(xiàn)在無(wú)源濾波器和電網(wǎng)中，它有著快速響應(yīng)與高度可控性特征，對(duì)于各次諧波都可以有效的進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，對(duì)于不斷變化的所需的無(wú)功功率可以自動(dòng)生成，并且，系統(tǒng)不會(huì)輕易的影響到特性，沒有放大諧波的危險(xiǎn)問(wèn)題出現(xiàn)在其中。所以，對(duì)于混合式的電力濾波方式進(jìn)行應(yīng)用，從而獲取最優(yōu)化的濾波裝置性價(jià)比。

應(yīng)該在在線性負(fù)荷區(qū)內(nèi)確保變壓器工作，盡可能的通過(guò)兩臺(tái)變壓器共同工作的方式進(jìn)行季節(jié)性供電，加大力度調(diào)查基層單位的負(fù)荷用電情況，因?yàn)橹饕腥沃C波和兩次諧波存在于變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流中，這樣在治理的過(guò)程中就可以應(yīng)用到LC無(wú)源濾波的方式。在變壓器阻抗變化特性的基礎(chǔ)上，可以對(duì)LC諧振型濾波器進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一旦有諧波問(wèn)題出現(xiàn)在農(nóng)村電網(wǎng)中，對(duì)于農(nóng)村的電能指標(biāo)就會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響，將電網(wǎng)的供電可靠性就會(huì)降低，不但對(duì)電氣裝置的正常運(yùn)行會(huì)帶來(lái)傷害，還會(huì)增加額外的電能損耗，從而對(duì)電氣裝置的使用壽命帶來(lái)極大的傷害。在農(nóng)村地方電網(wǎng)中，諧波污染成為了其中一大公害，所以，農(nóng)村電網(wǎng)部門需要應(yīng)用有效的管理措施與技術(shù)措施相結(jié)合的方式，不斷的評(píng)估和監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，從而將農(nóng)村電網(wǎng)的管理效果提升上來(lái)。對(duì)合適的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，然后綜合的治理和防范其中可能出現(xiàn)的諧波問(wèn)題，確保能夠按照相應(yīng)的秩序完成農(nóng)網(wǎng)建設(shè)與電力負(fù)荷的控制，從而保障我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)向著更好的方向發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

張鵬（1980-），男，甘肅省民勤縣人。西北師范大學(xué)雙學(xué)士學(xué)位?，F(xiàn)為河西學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)殡姎夤こ獭?/p>

作者單位

河西學(xué)院物電學(xué)院 甘肅省張掖市 734000