淺析供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的危害及防范策略

張生龍

摘 要：對(duì)供電企業(yè)常規(guī)生產(chǎn)而言，由于電網(wǎng)輸配電系統(tǒng)中的設(shè)備鐵芯磁化曲線的非線性或非線性負(fù)荷以及電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備中的電子技術(shù)應(yīng)用，會(huì)產(chǎn)生不同程度的諧波，一些諧波頻率將一定程度上干擾生產(chǎn)設(shè)備，繼而對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)成影響。為此，本文分析了諧波產(chǎn)生的原因及危害，對(duì)此采取防范措施，規(guī)避諧波的干擾，保障供電系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；諧波；危害；防護(hù)

中圖分類號(hào)：TD611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

供電系統(tǒng)運(yùn)行中，由于有許多電子設(shè)備應(yīng)用于生產(chǎn)控制過(guò)程中及其他諧波源的存在，將會(huì)產(chǎn)生諧波。諧波頻率超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)干擾設(shè)備，進(jìn)而擾亂設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。諧波不利于設(shè)備正常功能的發(fā)揮，使得設(shè)備絕緣老化速度變快，進(jìn)而釀成安全事故。為將諧波干擾抑制在有效范圍，需要分析諧波形成的原因與危害，考慮到供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，采取相應(yīng)的防護(hù)手段，將諧波產(chǎn)生的危害降至較低，維持電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

一、供電系統(tǒng)中諧波形成緣由

諧波即電流中包含的頻率，其電量是基波的整數(shù)倍，通常以傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)周期性的非正弦電量實(shí)施分解，在其他方面，導(dǎo)致基波頻率的電流形成電量。供電系統(tǒng)從實(shí)質(zhì)上看，出現(xiàn)諧波多為非線性負(fù)載。也即電流在通過(guò)負(fù)載過(guò)程中，添加的電壓未表現(xiàn)出正常的線性關(guān)系，生成了非正弦電流，使得供電系統(tǒng)中生成許多諧波。因?yàn)楣╇娤到y(tǒng)中的極管與半導(dǎo)體晶閘管表現(xiàn)出鮮明的非線性特征，此外，供電系統(tǒng)中的部分電力設(shè)備生成比較大的背離正弦曲線波。主要在于供電系統(tǒng)中諧波電流的生成和功率轉(zhuǎn)換器具有十分緊密的脈沖數(shù)關(guān)系?？蛇@樣認(rèn)為，功率變換器在供電系統(tǒng)中具有不斷增多的脈沖數(shù)，最低次諧波分量的頻率呈現(xiàn)不斷增高的趨勢(shì)。另外，供電系統(tǒng)中的其他耗能裝置也會(huì)形成諧波。如，熒光燈的電子控制調(diào)節(jié)器形成的諧波是比較大的?？梢?jiàn)，只要有諧波源的地方就會(huì)形成諧波，諧波分量也有可能通過(guò)供電網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)接脩艟W(wǎng)絡(luò)。例如供電網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波可能會(huì)干擾到另一個(gè)用戶設(shè)備的運(yùn)行。從中可以看到，供電系統(tǒng)中諧波具有多方的形成因素，阻礙了供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為此，供電部門需要結(jié)合諧波形成因素，運(yùn)用有效的應(yīng)對(duì)措施，將諧波對(duì)供電系統(tǒng)造成的危害降至最低，為供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件。

二、供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的危害

諧波產(chǎn)生的危害是多方面的，導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓產(chǎn)生畸變；擾亂通信線路；導(dǎo)致電力設(shè)備產(chǎn)熱，從而造成附加損耗，效率不高；處在特殊參數(shù)系統(tǒng)中，形成諧振；在保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置與繼電保護(hù)裝置方面，使得它們的可靠性與精度變低，嚴(yán)重時(shí)釀成系統(tǒng)事故；針對(duì)相同頻率的諧波電壓與電流，彼此間產(chǎn)生作用，進(jìn)而生成了諧波功率?？紤]到這種情況，要求我們高度重視諧波造成的危害。

1.干擾通信線路

如果通信線路接近輸電線路，線路間的靜電感應(yīng)與電磁感應(yīng)于周圍生成磁場(chǎng)，磁場(chǎng)彼此耦合一起，在通信系統(tǒng)內(nèi)部，諧波的分量出現(xiàn)了聲頻干擾，使得信號(hào)強(qiáng)度越來(lái)越弱，導(dǎo)致傳輸質(zhì)量變低，嚴(yán)重時(shí)對(duì)信號(hào)傳輸與通話構(gòu)成影響，甚至還會(huì)對(duì)人身和設(shè)備的安全構(gòu)成較大影響。

2.干擾電力變壓器、電容、繼電保護(hù)裝置

首先針對(duì)電力變壓器，諧波電流的形成使得損耗增多，出現(xiàn)震動(dòng)和噪音等情況；如果勵(lì)磁電流中出現(xiàn)諧波電流，電流在合閘涌流中的數(shù)值變大，對(duì)變壓器的安全運(yùn)行是不利的；諧波電壓的出現(xiàn)，將產(chǎn)生磁滯與渦流損耗，此外，電壓三相數(shù)值較高或不對(duì)稱，諧波分量變多，繼而使得局部放電與介質(zhì)放電變大。其次，對(duì)電力電容器的影響。配電系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷所占比例較大時(shí)，在使用并聯(lián)電容器過(guò)程中，因?yàn)榇嬗兄C波電壓與電流，使得設(shè)備產(chǎn)生較大的熱量，繼而損壞了設(shè)備，縮短了設(shè)備使用壽命。為此，諧波電壓與電流諧波超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，均會(huì)出現(xiàn)異常情況。再有，對(duì)繼電保護(hù)裝置的危害。繼電保護(hù)裝置在正常運(yùn)行狀態(tài)中，諧波電壓與電流變大時(shí)，使得過(guò)電壓與過(guò)電流的保護(hù)裝置產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作，甚至干擾負(fù)序?yàn)V過(guò)器的保護(hù)裝置。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，信息技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，其中微機(jī)保護(hù)裝置已成為供電系統(tǒng)中重要的一部分，該裝置的應(yīng)用，很大程度上提升了繼電保護(hù)的智能性和安全性，但是在諧波的影響下，也是比較容易出現(xiàn)測(cè)量誤差的，繼而使得裝置出現(xiàn)拒動(dòng)與誤動(dòng)。

3.干擾電機(jī)運(yùn)行

在我們露天煤礦的生產(chǎn)中，很多設(shè)備的操作是離不開(kāi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，當(dāng)諧波電流通過(guò)電機(jī)過(guò)程中，電機(jī)頻率不斷變大，磁滯與渦流也在逐漸增大，使得鐵芯與繞組中的附加損耗變得越來(lái)越大，致使設(shè)備機(jī)械震動(dòng)變強(qiáng)與電機(jī)噪聲變大。電機(jī)負(fù)荷在供電系統(tǒng)中為全部負(fù)荷的4/5，為此，諧波產(chǎn)生了較大的額外損耗。通過(guò)實(shí)踐能夠看出，如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)序電壓為額定電壓的3%時(shí)，使得其壽命縮短一半。

4.干擾電力用戶

諧波在危害電力用戶方面是雙向的，一方面，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生污染，對(duì)系統(tǒng)本身的安全構(gòu)成影響，另一方面，當(dāng)用電設(shè)備與所污染的電源連接在一起，一定程度上影響系統(tǒng)的安全性。諧波的形成，致使晶閘管與控制回路產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作；在電容器與帶有感性負(fù)載的相互作用下，產(chǎn)生諧振，對(duì)電容器構(gòu)成損害；改變了電視機(jī)與計(jì)算機(jī)的圖形形狀，同時(shí)使得數(shù)據(jù)處理操作系統(tǒng)出現(xiàn)不正確操作。

5.增加輸電線路的損耗

輸電線路的損耗會(huì)因?yàn)橹C波的影響而增大，三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流也會(huì)受諧波影響而增大，進(jìn)而出現(xiàn)中性線過(guò)載的情況。當(dāng)產(chǎn)生諧波的設(shè)備與輸電線路中的對(duì)地電容等組成串聯(lián)或并聯(lián)回路時(shí)，在特定的情況下，會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)諧振，諧振發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電流和過(guò)電壓對(duì)輸電線路中的設(shè)備危害是很大的。

三、供電系統(tǒng)中諧波的防護(hù)策略

1.報(bào)裝把關(guān)與驗(yàn)收檢測(cè)

我國(guó)電力法做出明確規(guī)定：“用戶用電不得對(duì)用電秩序與安全構(gòu)成危害?！薄豆╇姞I(yíng)業(yè)規(guī)則》規(guī)定：“對(duì)注入電網(wǎng)的諧波電流過(guò)程，當(dāng)正弦波畸變超出標(biāo)準(zhǔn)，要求用戶采取措施規(guī)避?！睂?duì)供電部門而言，在用戶用電報(bào)裝過(guò)程中，需要對(duì)用電性質(zhì)與設(shè)備進(jìn)行充分了解；在供電方案確定過(guò)程中，一定要對(duì)諧波設(shè)備做出認(rèn)真核對(duì)，構(gòu)建設(shè)備臺(tái)賬，一些用戶具有很大的諧波設(shè)備容量，需要具備諧波危害評(píng)估報(bào)告；在設(shè)計(jì)圖紙審查過(guò)程中，需要對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出全面考慮，確保使用的設(shè)備諧波不超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)。諧波評(píng)估報(bào)告對(duì)諧波提出治理要求的，設(shè)計(jì)方案需要將此考慮在內(nèi)，并實(shí)施監(jiān)測(cè)，諧波治理通過(guò)測(cè)試，符合要求后才能進(jìn)行供電。

2.增裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置

在無(wú)功補(bǔ)償裝置電路中將一個(gè)低通濾波器（由電容器與串聯(lián)電抗器構(gòu)成）設(shè)置在無(wú)功補(bǔ)償裝置電路中，當(dāng)處在最低諧波條件下實(shí)施調(diào)解，導(dǎo)致整體系統(tǒng)出現(xiàn)協(xié)調(diào)。為將諧波對(duì)供電系統(tǒng)造成的影響減至最低，比較徹底的方法是，以減少諧波電流的形式使諧波影響得以減少。在諧波危害防治上，可將傳統(tǒng)的濾波方法應(yīng)用其中，或者將無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用其中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，進(jìn)而將諧波電流減少，并對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償完善。

3.減少諧波的技術(shù)

發(fā)電部門需要將發(fā)電機(jī)工藝水準(zhǔn)提升到一個(gè)較高層面，確保鐵心具有良好的均勻性，從根本上減少諧波的出現(xiàn)，此外，還要檢測(cè)輸送的電流，不要將電廠諧波送至供電部門。在供電部門看來(lái)，是一定會(huì)產(chǎn)生諧波的，包括發(fā)電部門與用電部門的諧波，此外，自身形成的諧波也是一方面，需要借助一定的技術(shù)手段，強(qiáng)化檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行把控，為確保三相負(fù)載平衡，采取一些措施，如，加大供電設(shè)備的容量，將電網(wǎng)抗諧波能力提升到一個(gè)較高水平。另外，定期組織開(kāi)展諧波測(cè)試工作，仔細(xì)分析諧波超標(biāo)的變電站或線路，找到諧波源，安裝有關(guān)設(shè)施，將諧波減至基最少。如：①使用L，R，C元件組成的諧振回路，避免相近頻率的諧波進(jìn)入到電網(wǎng)中，將無(wú)源濾波器添加到電力電子設(shè)備的交流端點(diǎn)；②把靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置以并聯(lián)的方式安裝在諧波源處，可減少三相電壓的不平衡，使功能因數(shù)得到改變等，使供電系統(tǒng)獲得較高的諧波承受能力；③使用能夠控制功率的半導(dǎo)體器件把既有諧波電流相位相反、幅值相等的電流注入電網(wǎng)中，讓電源的總諧波電流接近于零，實(shí)現(xiàn)諧波電流的及時(shí)補(bǔ)充；④改裝電容器組的一些支路，變成濾波器，獲得使用限定電容器組投入容量的形式，防止電容器將諧波放大。

4.降低諧波含量

供電部門需要采取有效手段，將諧波含量減至最低，可使諧波電流對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的危害減至較少，起到諧波電流抑制的作用，這種治理方式比較有效，可提升電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)省供電系統(tǒng)運(yùn)行成本，減少費(fèi)用的開(kāi)支。首先，供電部門以增加整流器脈動(dòng)數(shù)的形式，以此平滑波形，可將諧波減至最少。其次，供電部門將脈寬調(diào)制方法應(yīng)用其中，運(yùn)用PWM，在所需頻率周期范圍不變的條件下，合理調(diào)整直流電壓，生成的交流輸出電壓脈沖為等幅不等寬，進(jìn)而起到諧波抑制的作用，把諧波對(duì)供電系統(tǒng)造成的危害減至最低。最后，供電部門有效運(yùn)用三相整流變壓器，以△/Y或Y/△的接線形式進(jìn)而實(shí)現(xiàn)諧波的控制，防止諧波危害供電系統(tǒng)。綜上，供電部門使用以上手段，將諧波含量降至較低，從根本上規(guī)避諧波，以此對(duì)諧波進(jìn)行有效治理，維持供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5.強(qiáng)化諧波管理，踐行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

《諧波電流發(fā)射限值》（GB17625）將小型電器設(shè)備按諧波電流限值分為了四類，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)給出的規(guī)定，還有試驗(yàn)電路與對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求等。供電部門和用電戶要嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在輸送電和用電環(huán)節(jié)中強(qiáng)化諧波管理，把諧波對(duì)電網(wǎng)的影響控制到最小。

四、電網(wǎng)諧波治理的措施

1.強(qiáng)化企業(yè)內(nèi)部的管理

①針對(duì)電網(wǎng)造成的危害，進(jìn)行全面了解，構(gòu)建完善的諧波治理體系。

②強(qiáng)化對(duì)諧波治理工作，并進(jìn)行常態(tài)化管理，在常規(guī)生產(chǎn)管理中納入諧波管理，以制定《客戶端諧波管理辦法》的形式，確保諧波管理具有明確的管理機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)等，在制度層面上對(duì)諧波強(qiáng)化監(jiān)督與管理。

③在客戶間構(gòu)建良好的關(guān)系，維持高質(zhì)量的服務(wù)。在諧波治理過(guò)程中，用電客戶是不可或缺的一部分，奠定了諧波治理的基石，將諧波的危害普及給大眾，征得用戶的配合。

④嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)，定期測(cè)試電網(wǎng)的諧波含量，監(jiān)測(cè)用電設(shè)備中注入的諧波電流，針對(duì)已超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，做出一定的經(jīng)濟(jì)處罰，強(qiáng)化設(shè)備監(jiān)管，依照相關(guān)政策處置超標(biāo)用戶。

⑤系統(tǒng)分析管轄的電網(wǎng)，確保測(cè)量無(wú)誤，明確諧波產(chǎn)生原因及所處位置，為諧波治理的進(jìn)行提供詳盡的原始材料；針對(duì)一些諧波較大處，設(shè)立長(zhǎng)期觀測(cè)站，穩(wěn)定可靠地收集數(shù)據(jù)，并采取針對(duì)性的措施進(jìn)行規(guī)避。

⑥針對(duì)一些用戶超出規(guī)定允許值的情況，進(jìn)行專線供電，將諧波保護(hù)與監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置其中，針對(duì)已經(jīng)和公用線路供電對(duì)接的，在一年時(shí)間內(nèi)，需要用戶進(jìn)行完善。

⑦監(jiān)測(cè)站定期檢測(cè)現(xiàn)有諧波，不斷構(gòu)建完善的技術(shù)檔案，隔兩年進(jìn)行一次全面核查，及時(shí)處置存在的問(wèn)題。

⑧如果用戶諧波在規(guī)定值以上，線路開(kāi)關(guān)跳閘，供電部門諧波專門負(fù)責(zé)人以書面的形式告知用戶在規(guī)定的期限內(nèi)進(jìn)行治理。

⑨新裝入的諧波保護(hù)裝置需要包含兩種啟動(dòng)軟件，一種是電流啟動(dòng)軟件，另一種是電壓?jiǎn)?dòng)軟件，依照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，整定保護(hù)定值。于供電部門變電站出口處設(shè)置保護(hù)裝置。

⑩強(qiáng)化用電檢查力度，對(duì)存在的電能質(zhì)量污染源，用戶補(bǔ)立檔案，當(dāng)?shù)刂卫碇C波源。

2.強(qiáng)化增容諧波源用戶的管理

報(bào)裝接電的設(shè)計(jì)審核時(shí)，增容的諧波源用戶一定不可缺少諧波審查項(xiàng)目，針對(duì)諧波超標(biāo)的情況，使用相應(yīng)的防治措施。對(duì)增容的諧波源用戶，其使用的供電電壓要具有合理性，盡量維持三相電壓的平衡。工程交接驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)，增容的諧波源用戶一定不可缺少監(jiān)測(cè)站的諧波測(cè)試報(bào)告。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果超出標(biāo)準(zhǔn)，是不能夠和供電網(wǎng)絡(luò)連接運(yùn)行的。

3.強(qiáng)化電容器組的管理

①在電容器組設(shè)置過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)部門以連接點(diǎn)的電網(wǎng)參數(shù)為依據(jù)，對(duì)諧波諧振與放大的可能性進(jìn)行核算，根據(jù)需要，對(duì)諧波阻抗與背景諧波電壓進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行認(rèn)真核算。針對(duì)一些電力設(shè)備的容量比較大的情況，尤其電容器組的容量較大時(shí)，可將限流裝置設(shè)置在回路內(nèi)，防止電力諧波的生成。

②運(yùn)用電容器實(shí)施就地補(bǔ)償，統(tǒng)一補(bǔ)償與分散補(bǔ)償。

③在用戶統(tǒng)一安裝大型補(bǔ)償過(guò)程中，驗(yàn)收電容器組時(shí)，實(shí)際測(cè)量的諧波電壓放大率要在1.5倍之內(nèi)。不然，使用限制措施，然后再投入使用。

結(jié)語(yǔ)

電子技術(shù)應(yīng)用下，設(shè)備運(yùn)行效率得到顯著提升，然而也帶來(lái)了一些負(fù)面影響，電子設(shè)備運(yùn)行中形成諧波，不僅是頻率不同，對(duì)設(shè)備構(gòu)成的危害也有所區(qū)別。諧波危害在供電系統(tǒng)中普遍存在，給社會(huì)帶來(lái)了各種危害，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。諧波是無(wú)法避免的，只有采取相應(yīng)的防護(hù)措施，才能將諧波干擾減至較低。上文分析了供電系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生諧波的原因及各種危害，考慮到供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，采取防護(hù)措施，盡量減少諧波危害，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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