淺析船舶交流電網(wǎng)的諧波及其治理措施

馮先偉　李俊瑋

摘 要：本文主要針對船舶電網(wǎng)諧波源及其危害進行分析，并提出諧波治理措施。

關(guān)鍵詞：諧波；危害；測量；計算；措施

中圖分類號：U665.1 文獻標識碼：A

Abstract： In this paper， the ship power harmonic and its harm are analyzed， and the solution for the harmonic is proposed.

Key words： Harmonic； Harm； Measure； Calculate； Solution

1 概述

船舶交流電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量定義：導(dǎo)致船舶用電設(shè)備不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，以及造成船舶用電設(shè)備故障或錯誤動作的任何其它電力問題都是電能質(zhì)量問題。根據(jù)這一定義，電能質(zhì)量除了保證額定電壓和額定頻率下的正弦波形外，還包括所有電壓瞬變現(xiàn)象，如沖擊脈沖、電壓下降、瞬時間斷等。電能質(zhì)量根據(jù)電磁擾動現(xiàn)象可以分為：瞬變現(xiàn)象、短時電壓變動、長時電壓變動、電壓不平衡、波形畸變、電壓波動和閃變、工頻變化等七大類。本文淺析波形畸變中的諧波的危害及其治理措施。

2 諧波的產(chǎn)生原因

我們通常所說的諧波，是指具有電源系統(tǒng)指定運行頻率（簡稱工頻，通常為50 Hz或60 Hz）整數(shù)倍的正弦電壓或電流，各次諧波的幅值和相位是不隨時間而變化的。其產(chǎn)生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中的某些設(shè)備和負荷的非線性特性，即所增加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成的電流、電壓波形畸變。非線性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)會產(chǎn)生諧波電流，它注入電網(wǎng)后通過電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變。

3 諧波源及諧波的危害

3.1 諧波源

一切非線性的設(shè)備和負荷都是諧波源，其非線性特性主要有三類：

（1）鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和和特性呈現(xiàn)非線性；

（2）電子開關(guān)型：主要為各種交直流換流裝置（整流器、逆變器等）、雙相晶閘管、可控開關(guān)設(shè)備等。在電力系統(tǒng)內(nèi)部，如高壓直流輸電系統(tǒng)中應(yīng)用的整流閥、逆變閥等，以及在柔性輸電系統(tǒng)中和補償設(shè)備中采用的電力電子設(shè)備等。其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關(guān)切合和換相特性。隨著大功率電力電子設(shè)備的出現(xiàn)，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中這類設(shè)備的數(shù)量將會迅速增加，值得我們引起重視；

（3）電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間，其電弧的特點和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規(guī)則地波動，呈現(xiàn)為電弧電壓與電弧電流之間的不規(guī)則、隨機變化的伏安特性。

3.2 諧波的危害

諧波對電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的主要危害如下：

（1）大大增加了電力系統(tǒng)中發(fā)生諧振的可能性，從而造成很高的過電壓或過電流，引發(fā)事故的可能性增加；

（2）增加附加損耗，降低發(fā)電機、輸電線路、用電設(shè)備等的利用效率；

（3）使電氣設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)電機、電容器、變壓器、電抗器等運轉(zhuǎn)不正常，加速絕緣老化，使變壓器鐵芯產(chǎn)生磁滯伸縮和噪聲、電抗器產(chǎn)生振動和噪聲，縮短電力設(shè)備的使用壽命，增加設(shè)備維護費用；

（4）使繼電保護、自動裝置、計算機系統(tǒng)，以及許多用電設(shè)備運轉(zhuǎn)不正?；虿荒苷幼?；

（5）使相位控制設(shè)備的正常工作因控制信號紊亂而受到干擾，如電子計算機誤動作、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元件測試無法進行等；

（6）干擾通信系統(tǒng)，降低信號的傳輸質(zhì)量，使通信線路、信息線路產(chǎn)生噪聲甚至造成故障。

交流電氣設(shè)備應(yīng)能在供電電源的電壓諧波成分不大于 8% 的情況下正常工作。當(dāng)電源的諧波成分可能大于 8% 時，應(yīng)注意設(shè)備選擇以保證其正常工作。

4 諧波測量

電網(wǎng)諧波問題的分析研究和日常監(jiān)管是建立在諧波測量基礎(chǔ)上的，而諧波數(shù)據(jù)的取得必須借助于有效的測量儀器。諧波電壓（電流）測量應(yīng)選擇在電網(wǎng)正常供電時可能出現(xiàn)的最小運行方式，且應(yīng)在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時間段進行；當(dāng)測量點附近安裝有電容器組時，應(yīng)在電容器組的各種運行方式下進行測量；測量的諧波次數(shù)一般為第2次到第19次，根據(jù)諧波源的特點或測試分析結(jié)果可以適當(dāng)變動諧波測量次數(shù)的范圍；對于負荷變化快的諧波源，測量的間隔時間不大于2分鐘，測量次數(shù)一般不少于30次；對于負荷變化慢的諧波源，測量的間隔和持續(xù)時間不作規(guī)定。為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象的諧波，對負荷變化快的諧波每次測量結(jié)果可為3秒內(nèi)所測值的平均值。

諧波測量的數(shù)據(jù)應(yīng)取測量時段內(nèi)各相實測值的95%概率值（舍棄實測值前面5%的大值）中最大的一相諧波電流值，作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。

5 諧波計算

對于穩(wěn)態(tài)諧波，我們通常用各次諧波分量幅值、相位角的頻譜和各次諧波含有率來描述其波形畸變水平，也可以用總諧波畸變率作為測量信號諧波畸變的度量標準。

6 諧波治理措施

（1）增加換流裝置的脈動數(shù)：改造換流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可以有效地減少諧波含量，但換流裝置容量要相等；

（2）加裝交流濾波裝置：在諧波源附近安裝若干單調(diào)諧或高通濾波支路以吸收諧波電流，可有效地減少諧波含量，但應(yīng)同時考慮無功補償和電壓調(diào)整效應(yīng)；

（3）改變諧波源的配置或工作方式：具有諧波互補性的設(shè)備應(yīng)集中布置，否則應(yīng)分散或交錯使用，適當(dāng)限制諧波量大的工作方式可以減少諧波的影響，但對裝置的配置或工作方式有一定的要求；

（4）加裝串聯(lián)電抗器：在設(shè)備電源進線處加串聯(lián)電抗器以增大和系統(tǒng)的電氣距離，可減少和系統(tǒng)的諧波相互影響，但應(yīng)同時考慮功率因數(shù)補償和電壓調(diào)整效應(yīng)；

（5）改善三相不平衡：從電源電壓、線路阻抗、負荷特性等找出三相不平衡原因加以消除，可有效地減少3次諧波的產(chǎn)生，有利于設(shè)備的正常用電減少損耗；

（6）加裝靜止無功補償裝置：可有效地減少諧波源的諧波含量，有抑制電壓波動、閃變、三相不對稱和無功補償?shù)墓δ?，但一次性投資較大；

（7）避免電力電容器組對諧波的放大：改變電容器組串聯(lián)電抗器的參數(shù)，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限制電容器組的投入容量，可有效地減少電容器組對諧波的放大并保證電容器組安全運行；

（8）提高設(shè)備或裝置抗諧波干擾能力：改進設(shè)備或裝置性能，對諧波敏感設(shè)備或裝置采用靈敏的保護裝置；

（9）采用無源濾波器抑制濾波的措施：無源濾波器主要由電抗器、電容器構(gòu)成，體積比較大。目前國內(nèi)的諧波治理以無源濾波器為主，其特點是技術(shù)實現(xiàn)相對簡單，具有一定消諧效果，但缺點是體積比較大；

（10）采用有源濾波器抑制濾波的措施：源濾波器是利用電力電子技術(shù)來監(jiān)控非線性負載，并動態(tài)地糾正，發(fā)現(xiàn)一個諧波自動注入一個補償電流使波形恢復(fù)，通過注入和抵消過程恢復(fù)正弦波，使失真減少到不足5%。其特點是可主動消諧、設(shè)備體積小、消諧效果非常理想，但技術(shù)要求較高、價格較昂貴。

上述治理措施的選擇，要根據(jù)諧波達標的水平、效果、經(jīng)濟性和技術(shù)成熟度等進行綜合比較后確定。

7 結(jié)束語

船舶電網(wǎng)諧波的治理涉及眾多的電氣設(shè)備，治理難度較大，本文僅淺析了電能質(zhì)量中的諧波及其治理措施，希望對船舶電網(wǎng)諧波的治理起到一定的啟示作用。

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