低壓配電網(wǎng)諧波特性及網(wǎng)損影響分析研究

陳立虎，侯田鈺，鄒伯格

(1.國網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850010；2.國網(wǎng)西藏電力有限公司山南供電公司，西藏 山南 856100)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的發(fā)展日趨成熟和完善，成為社會(huì)生活不可分割的一部分，與社會(huì)大眾的聯(lián)系也越來越緊密。在電力系統(tǒng)發(fā)展過程中，非線性的負(fù)荷種類和數(shù)量都在快速增長(zhǎng)，使得諧波對(duì)于電力系統(tǒng)的污染也更為嚴(yán)重[1-3]。在當(dāng)前社會(huì)中，諧波的主要來源是工業(yè)設(shè)備中的電力系統(tǒng)，而電力諧波的主要增長(zhǎng)源又是低壓配電網(wǎng)。民用和商業(yè)用戶所產(chǎn)生的諧波占電力系統(tǒng)所產(chǎn)生總的諧波的40%。但隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)、家用電器和不同形式娛樂設(shè)施的普及，諧波電流不再是工業(yè)用戶所獨(dú)有的特征。諧波可能會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的電力設(shè)備造成許多不利影響，包括諧振以及降低設(shè)備的使用壽命等，進(jìn)而影響電力設(shè)備的使用壽命[4-6]。電能從電廠傳送至用戶處，往往會(huì)經(jīng)過多級(jí)變壓器變壓。此外，由于電能傳送要經(jīng)過各種元件，這些元件都含有電阻。當(dāng)電流流過電阻時(shí)，往往會(huì)造成電阻發(fā)熱，進(jìn)而產(chǎn)生一定的功率損耗。

在整個(gè)電網(wǎng)的線損中，其線損基本上發(fā)生在配電網(wǎng)中[7]。正是由于配電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量諧波而發(fā)生線損，而用戶又沒有引起一定的重視并采取任何抑制諧波措施，使得這種配電網(wǎng)諧波線損對(duì)生產(chǎn)生活都帶來不利影響。鑒于此，本次研究分析了配電網(wǎng)諧波特性及其網(wǎng)損影響。

1 低壓配電諧波特性與網(wǎng)損計(jì)算

1.1 低壓配電網(wǎng)諧波特性及其來源

諧波是聲學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)概念，主要是指空氣柱或者弦按照一定的頻率進(jìn)行振動(dòng)。這個(gè)頻率及其整數(shù)倍都可以作為振動(dòng)頻率。在國際電工標(biāo)準(zhǔn)和國際大網(wǎng)會(huì)議中有一個(gè)諧波標(biāo)準(zhǔn)，即諧波分量是大于1的h次分量，同時(shí)其周期量是傅里葉級(jí)數(shù)。諧波是具有一定周期的正弦分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。低壓配電網(wǎng)的基波和諧波如圖1所示。就各個(gè)波形的周期而言，基波的周期較大，三次諧波的周期次之，周期最小的是五次諧波。

圖1 低壓配電網(wǎng)的基波和諧波示意圖

諧波源通常是電力系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波的一些非線性設(shè)備。一般來說，電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波，并且用電環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生諧波的最多。在市政用電中，其諧波的主要來源包括居民家用電器中的熒光燈、空調(diào)、電視機(jī)、冰箱、調(diào)速風(fēng)扇以及電磁爐等；同時(shí)，多種高科技裝置也是諧波的主要來源，包括磁共振設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)以及激光切割機(jī)等。在配電網(wǎng)中，功率變流器是主要的諧波來源，可用于調(diào)整配電網(wǎng)系統(tǒng)中的功率和電壓等參數(shù)，進(jìn)而滿足商業(yè)、工業(yè)以及居民的用電需求。商業(yè)用電和居民用電一般采用的是小功率變流器，同時(shí)在居民和商業(yè)用電中的許多電力設(shè)備都屬于一級(jí)負(fù)荷，需要使用不間斷電源(uninterrupted power supply,UPS)，以保證其供電的連續(xù)性，并防止因電壓驟降而產(chǎn)生較為明顯的諧波電流。圖2為常用的某種熒光燈電流波形和頻譜。

圖2 某種熒光燈的電流波形和頻譜示意圖

目前，我國的許多照明設(shè)備采用熒光燈或者發(fā)光二極管(light enitting diode,LED)等燈具。熒光燈在工作中是高度非線性的，能夠產(chǎn)生較大幅值的奇次諧波，并且熒光燈的諧波電流主要是以3次、5次、7次為主。其中，3次諧波電流占主導(dǎo)地位。與此同時(shí)，變頻器也是一個(gè)主要的諧波來源。變頻器具有顯著的節(jié)能效果，不過由于其為非線性負(fù)載，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生諧波信號(hào)，并且所產(chǎn)生的這種諧波信號(hào)遠(yuǎn)大于普通的設(shè)備。同時(shí)，在變頻器電抗對(duì)諧波的擴(kuò)大效果下，較小的諧波電壓都可能產(chǎn)生較大的諧波電流。家用電器變頻裝置中的變頻器容量較小，其奇次諧波的諧波含量較大，尤其是5次諧波。市政用電中的諧波源具有單個(gè)容量小、數(shù)量巨大以及分布廣泛等特點(diǎn)，并且這些諧波源之間存在相互影響和相互作用，使得諧波產(chǎn)生疊加效應(yīng)。

1.2 居民區(qū)和商業(yè)區(qū)低壓配電網(wǎng)網(wǎng)損計(jì)算

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，電力系統(tǒng)的損耗主要在配電網(wǎng)，因而降低電網(wǎng)的損耗重點(diǎn)就在于配電網(wǎng)。配電網(wǎng)的損耗用線損率表示。線損率是指電網(wǎng)中的線損量對(duì)于電網(wǎng)購電量或者供電量的百分比，是衡量電網(wǎng)生產(chǎn)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計(jì)以及經(jīng)營(yíng)管理水平的重要指標(biāo)。影響配電網(wǎng)線損率的因素有很多，包括配電線路導(dǎo)線截面積的大小以及負(fù)載率的大小等。其中，諧波對(duì)于配電網(wǎng)線損率的影響是較為重要的。

為了分析配電網(wǎng)系統(tǒng)中與諧波相關(guān)的損耗，本次研究以某居民區(qū)和商業(yè)區(qū)的配電網(wǎng)為例，計(jì)算他們的相關(guān)網(wǎng)損情況。此次研究所采用的網(wǎng)損計(jì)算方法主要是等值電阻法，并且低壓配電網(wǎng)以0.4 kV為主。等值電阻法主要是將所有的0.4 kV配電網(wǎng)的總均方根電流通過等值電阻時(shí)所產(chǎn)生的電能損耗，轉(zhuǎn)化為0.4 kV低壓配電網(wǎng)中所有配線的可變損耗量以及所有配變負(fù)載損耗量之和。相關(guān)表達(dá)式如式(1)所示。

R=RL+RT

(1)

式中:RL為低壓配電網(wǎng)中配線的等值電阻，Ω；RT為配變等值電阻，Ω。

整個(gè)0 kV低壓配電網(wǎng)中的損耗總和如式(2)所示。

(2)

式中：I為0.4 kV配電網(wǎng)首端總均方根電流，kA；T為0 kV配電網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間，h；p0i為第i臺(tái)配電網(wǎng)的空損；m為全網(wǎng)配變數(shù)目。

進(jìn)而可以得到由諧波所引起的電能損耗，如式(3)所示。

(3)

式(3)也可以表示為：

(4)

式中：THD1為諧波電流的畸變率。

由諧波電流所引起的配電網(wǎng)損耗在總配電網(wǎng)損耗中所占的比例α如式(5)所示。

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)可知，在諧波電流畸變率不變的情況下，諧波電流的損耗隨著基波電流(I1)的增大而增大。本次研究所選取的居民區(qū)供電從屬于380/220 V的低壓配電網(wǎng)，其供電系統(tǒng)的組成主要包括配電變壓器、低壓線路、照明器具、下戶線、進(jìn)戶線、電能表以及家用電器等。由于給居民供電所選擇的導(dǎo)線截面積相對(duì)較小，因而在計(jì)算該居民區(qū)的諧波網(wǎng)損時(shí)，應(yīng)忽略鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)對(duì)配電網(wǎng)電纜的影響。

圖3為該居民區(qū)配電網(wǎng)等效電路。

根據(jù)電力系統(tǒng)計(jì)算手冊(cè)，小區(qū)的實(shí)際配電電壓為0.4 kV。將變壓器換算為0.4 kV電壓所對(duì)應(yīng)的電阻，并且0.4 kV一側(cè)所選導(dǎo)線為1 kV聚氯乙烯電纜，中性導(dǎo)線則為10 kV聚氯乙烯電纜。本次研究選取某大型商場(chǎng)，對(duì)其配電網(wǎng)的諧波損耗進(jìn)行測(cè)試。該商場(chǎng)的變電站為10 kV，配備有4臺(tái)帶有溫度顯示和溫控風(fēng)機(jī)散熱的干式變壓器。商場(chǎng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 商場(chǎng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

(6)

式中：SB為系統(tǒng)最大短路電流；ZB為系統(tǒng)最小阻抗。

進(jìn)而可以得到供電公司標(biāo)幺值的標(biāo)準(zhǔn)值，如式(7)所示。

(7)

可以將式(7)換算至低壓側(cè)，如式(8)所示。

(8)

0.4 kV側(cè)的基準(zhǔn)值如式(9)所示。

(9)

進(jìn)而可以換算至0.4 kV后的阻抗標(biāo)幺值，如式(10)所示。

(10)

再歸算至變壓器低壓側(cè)的阻抗標(biāo)幺值，如式(11)所示。

(11)

進(jìn)而可以得到0.4 kV以上的阻抗標(biāo)幺值，如式(12)所示。

(12)

據(jù)此可以得到0.4 kV側(cè)的短路容量，如式(13)所示。

(13)

2 網(wǎng)損計(jì)算結(jié)果分析

在對(duì)居民區(qū)和商場(chǎng)的諧波網(wǎng)損進(jìn)行計(jì)算后，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。

其中，居民區(qū)的諧波功率損耗和百分比如表1所示。

表1 諧波功率損耗和百分比

表1中：ΔP為該低壓配電網(wǎng)的總損耗功率，為7 170.26 W；ΔPL為諧波電流同功率的線性負(fù)荷功率損耗，為6 127.62 W，所占總損耗功率的比例為85.4%；ΔPH為總諧波功率，所占諧波損耗的百分比為14.6%；ΔPN為低壓配電網(wǎng)的中性線損功率，為789.09 W，所占諧波損耗的百分比為11.01%。

由此可以看出，該居民區(qū)的低壓配電網(wǎng)諧波電流功率損耗最多的是線性負(fù)荷功率損耗，其次是總諧波功率的損耗，損耗最少的是中性線損功率。

表2為居民區(qū)的配電網(wǎng)各次諧波在相線上引起的損耗。

表2 各次諧波在相線上引起的損耗

該居民區(qū)用電設(shè)備低壓配電網(wǎng)中所產(chǎn)生的三次諧波電流占比較大，且三次諧波電流的網(wǎng)損最大。這主要是因?yàn)槿沃C波電流在中性線上通常會(huì)疊加，而不是抵消。由于該居民區(qū)沒有安裝濾波器，因而當(dāng)諧波電流通過變壓器時(shí)，會(huì)增加變壓器的空載損耗和負(fù)載。

商業(yè)區(qū)1號(hào)變壓器諧波測(cè)試結(jié)果如圖5所示。圖5中：電壓測(cè)試分別在236.2 V、236.0 V、236.9 V以及15.4 V這四種電壓情況下進(jìn)行，并且電壓測(cè)試的頻率為49.97 Hz，測(cè)試電壓和測(cè)試頻率為230 V、50 V。就電壓測(cè)試的結(jié)果來看，不同電壓測(cè)試下均為正弦波形，236.2 V、236.0 V以及236.9 V時(shí)的電壓測(cè)試圖像均在0～230 V之間波動(dòng)。而電壓15.4 V時(shí)的測(cè)試結(jié)果在0～23 V之間波動(dòng)。電流測(cè)試分別包括在554 A、488 A、448 A以及445 A四種電流情況下進(jìn)行測(cè)試，電流測(cè)試的頻率為49.98 Hz，系統(tǒng)測(cè)試電壓和測(cè)試頻率同樣為230 V和50 Hz。綜合1號(hào)變壓器的電壓測(cè)試結(jié)果和電流測(cè)試結(jié)果來看，測(cè)試電壓和測(cè)試電流越大，其測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍越大；反之，測(cè)試電壓和測(cè)試電流越小，其測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍越小。

圖5 商業(yè)區(qū)1號(hào)變壓器諧波測(cè)試結(jié)果

商業(yè)區(qū)2號(hào)變壓器的諧波測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 商業(yè)區(qū)2號(hào)變壓器諧波測(cè)試結(jié)果

從圖6可以看出，系統(tǒng)測(cè)試電壓和測(cè)試頻率同樣為230 V和50 Hz。電壓測(cè)試的頻率為49.98 Hz，其結(jié)果與1號(hào)變壓器的電壓測(cè)試結(jié)果相差不大。前三種測(cè)試電壓的波動(dòng)范圍在0～230 kV之間，20.4 V時(shí)的測(cè)試結(jié)果波動(dòng)范圍也在0～23 kV之間。電流測(cè)試的頻率為49.97Hz，電流測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍相較于1號(hào)變壓器的測(cè)試結(jié)果大，但電流在485 A時(shí)的測(cè)試結(jié)果波動(dòng)范圍仍然較小。同樣地，綜合2號(hào)變壓器的電壓測(cè)試和電流測(cè)試結(jié)果來看，測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍與電壓或者電流呈正相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論

低壓配電網(wǎng)的諧波對(duì)電能輸送會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響，因而研究配電網(wǎng)的諧波特性和網(wǎng)損能夠?yàn)橐种浦C波提供新思路[8-15]。本次研究在分析低壓配電網(wǎng)諧波特性及網(wǎng)損影響時(shí)，通過對(duì)配電網(wǎng)諧波特性及其來源的闡述，提出對(duì)城市居民區(qū)和商業(yè)用電的低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)損進(jìn)行計(jì)算，最終得到諧波對(duì)網(wǎng)損的影響結(jié)果。研究結(jié)果表明，該居民區(qū)低壓配電網(wǎng)中所產(chǎn)生的三次諧波電流占比較大，且三次諧波電流的網(wǎng)損最大，并且該居民區(qū)低壓配電網(wǎng)中諧波引起的線性負(fù)荷功率損耗最多。商業(yè)區(qū)諧波測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍與電壓或者電流呈正相關(guān)關(guān)系，即測(cè)試電壓和測(cè)試電流越大，其測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍越大；反之，測(cè)試電壓和測(cè)試電流越小，其測(cè)試結(jié)果的波動(dòng)范圍越小。該網(wǎng)損主要是由配電網(wǎng)的諧波干擾引起的。本次研究通過對(duì)低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)損計(jì)算驗(yàn)證了諧波對(duì)網(wǎng)損的影響，但由于測(cè)試居民區(qū)和商業(yè)區(qū)數(shù)量有限，其廣泛適用性有待進(jìn)一步研究。