某廠站諧波監(jiān)測(cè)裝置的研制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

覃巍，楊凱，郭曉艷，趙昱如，朱平

（國(guó)網(wǎng)陜西電力公司安康供電公司，陜西 安康 725000）

輸配電工程系統(tǒng)、非線性用電設(shè)備、電源質(zhì)量較低這3個(gè)層面是產(chǎn)生諧波的主要原因。在制作發(fā)電機(jī)三相繞組和鐵心時(shí)，這兩者之間是很難達(dá)到絕對(duì)對(duì)稱的和高度一致的，還會(huì)出現(xiàn)一些其他的影響因素，導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的諧波產(chǎn)出量減少，并不是關(guān)鍵的諧波源，但是，在輸電和配電的電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波的主要生產(chǎn)者是磁性材料構(gòu)成的電力電子變壓器等一系列裝置，因?yàn)榉蔷€性是該儀器磁體具體的曲線變化，在運(yùn)行過程中，該儀器的鐵心部位就會(huì)飽和，并且經(jīng)濟(jì)條件是在設(shè)計(jì)電力變壓器時(shí)首先考慮的一個(gè)因素，這也就意味著接近飽和區(qū)域是電力變壓器磁化曲線磁密工作最后停留的區(qū)域。

因?yàn)楦鞣N原因，尖頂波形是磁化電流的最終形態(tài)，然后奇次諧波會(huì)一直存在于系統(tǒng)中。磁路結(jié)構(gòu)、電力變壓器鐵芯的飽和程度會(huì)對(duì)奇次諧波的大小產(chǎn)生影響，0.5%的額定電流是在電力變壓器中，三次諧波電流都可以達(dá)到該額定電流。由于電力用戶大量使用非線性和沖擊性負(fù)載引發(fā)了諧波，在電力流向非線性和沖擊性的負(fù)載條件下，電流會(huì)產(chǎn)生畸變，從而引起電力諧波。

1 諧波電流產(chǎn)生的途徑

基波以及各次諧波相加的和便是電壓和電流，所以它們的基波和各次諧波含量都是通過傅里葉分解理論得來(lái)的。而且同種電源并不能分解成為電流和電壓。通常情況，電力網(wǎng)絡(luò)中的沖擊性和非線性負(fù)載還有一些非線性器件共同組成了諧波含量成分，從這里我們可以知道，系統(tǒng)中的諧波阻抗等同于發(fā)電機(jī)中的阻抗，諧波源也可以等同于其他類型的非線性負(fù)載。兩個(gè)方面共同組成了電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷。在這其中，非線性元件是電網(wǎng)本身就具有的一種元件，并且諧波電流可以從這些元件中產(chǎn)生，有以下幾種元件。

（1）晶閘管。移相控制策略是晶閘管整流的主要手段，晶閘管吸收有缺角的正弦波的場(chǎng)所是電力系統(tǒng)，那么電網(wǎng)中就不會(huì)含有諧波，而是會(huì)產(chǎn)生具有缺角的正弦波。

假設(shè)單相整流電路是整流裝置的電路運(yùn)行模式，那么，奇次諧波電流就會(huì)包含在感性負(fù)載中，基波中的30%就是三次諧波的整體含量；整流濾波為家用電器、電源制品、電子控制電路、依靠馬達(dá)的變頻調(diào)速器以及日光燈等電力電子電路以及電池電路提供了可以保持其正常工作的直流電源。所以，整流濾波電路是諧波的主要來(lái)源。相關(guān)數(shù)據(jù)指出，能夠生產(chǎn)出最大諧波源的裝置就是整流裝置，其中有40%的諧波都是整流裝置產(chǎn)出的。

（2）變壓器和電抗器。在國(guó)家電網(wǎng)里，產(chǎn)生諧波的裝置是變壓器。主要是因?yàn)樽儔浩鞯慕M裝使用的都是一些含有非線性磁性的材料，并且變壓器的變壓容量比一般容器要高出很多。磁飽和非線性增大了勵(lì)磁電流，那么，電流波形就會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的畸變。額定電流的6～8倍是電抗器和變壓器處于飽和狀態(tài)時(shí)合閘涌流可以達(dá)到的電流標(biāo)準(zhǔn)，在這一時(shí)期內(nèi)，高次諧波和非周期分量是這種電流的主要組成部分。

（3）變頻裝置。相位控制原理可以讓變頻裝置大量投入實(shí)際工作中使用，這樣變頻裝置產(chǎn)生的諧波的復(fù)雜性就會(huì)增強(qiáng)。整數(shù)的次諧波、分?jǐn)?shù)次諧波都包含在變頻裝置中。因?yàn)檫@種變頻裝置的功率要比其他裝置的功率高出很多，所以變頻裝置的諧波污染程度也會(huì)更高。

2 諧波監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 裝置主要功能

電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置直接從PT二次側(cè)取三相和零序電壓信號(hào)。電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可以同時(shí)監(jiān)測(cè)三路相電壓和一路零序電壓信號(hào)。電壓諧波在線監(jiān)測(cè)裝置通過4G/5G無(wú)線通信系統(tǒng)同系統(tǒng)平臺(tái)軟件進(jìn)行通信。該裝置主要功能，如表1所示。

表1 裝置主要功能表

諧波在線監(jiān)測(cè)分析裝置廣域同步采樣的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為了能夠更好地分析電壓熔斷器熔斷的原因，需要引入多個(gè)不同位置的在線監(jiān)測(cè)分析裝置的錄波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這就要求不同位置的在線監(jiān)測(cè)分析裝置的采樣數(shù)據(jù)必須精確同步，同步誤差越小，分析準(zhǔn)確性越高。

2.2 硬件電路抗電磁干擾設(shè)計(jì)

硬件電路的電磁干擾設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，如果電磁兼容性不好，裝置的電子系統(tǒng)就會(huì)受到極大的電磁干擾并造成有害能量持續(xù)傳播，最終直接影響裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。一般情況下，硬件電路所承受的電磁干擾共有兩類，一類是外部干擾，一類是內(nèi)部干擾。這里面內(nèi)部干擾的危害性最大，直接影響電子信號(hào)傳輸?shù)男?，而外部干擾則會(huì)直接影響電池發(fā)射的效率。

為了改良硬件電路板的抗電磁干擾性能，本次設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面。

（1）電路板接地線設(shè)計(jì)。電路板的地線設(shè)計(jì)是首要考慮的，主要是為了避免電磁干擾，確保電位的穩(wěn)定性和均衡性。如果地線的設(shè)計(jì)不合理，那么出現(xiàn)設(shè)備故障的可能性就會(huì)大大增加，因?yàn)殡娐返幕鶞?zhǔn)電位就是地線處的電位，該電位一旦不穩(wěn)定，尤其是忽上忽下地飄，那么極易出現(xiàn)電磁干擾，直接影響設(shè)備裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）線路板設(shè)計(jì)。在抗電池干擾時(shí)，需要考慮外部連接的布局。內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)、熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路抗干擾性能和散熱性能。

（3）濾波器設(shè)計(jì)。我們需要制定最優(yōu)濾波器的方案。增設(shè)濾波器主要是為了消除導(dǎo)線中的電磁干擾進(jìn)而避免這些信號(hào)影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這是由于不同導(dǎo)線在外界干擾的大環(huán)境下接受電磁干擾信號(hào)，成為一個(gè)大的污染源，進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)最主要的目的就是能夠削弱電磁干擾帶來(lái)的負(fù)面影響。

（4）屏蔽設(shè)計(jì)。有時(shí)候，針對(duì)高頻輻射電路，僅通過單一的地線或者電路板設(shè)計(jì)無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)抗干擾的效果，因此需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行屏蔽處理，對(duì)表面進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理，達(dá)到電磁抗干擾的目的。

2.3 諧波在線監(jiān)測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

所研發(fā)的諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可實(shí)時(shí)計(jì)算所監(jiān)測(cè)電氣量特征及突變量，只要所監(jiān)測(cè)電壓電流的變化量超過設(shè)定門限及將突變時(shí)刻前后（一般為前4后16個(gè)周波的波形）發(fā)送至后臺(tái)軟件供進(jìn)一步的分析。可用于故障分析、瞬時(shí)過電壓分析、瞬時(shí)性諧波分析及其他異常情況分析等。其軟件開發(fā)時(shí)序圖，如圖1所示。

圖1 諧波采集裝置軟件時(shí)序圖

當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，以1小時(shí)為1周期頻率，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，傳送至數(shù)據(jù)中心，并完成反饋數(shù)據(jù)的接受。該軟件具有自檢功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3 PT熔斷器頻繁熔斷的處理建議

由于電磁式電壓互感器鐵磁諧振現(xiàn)象具有多樣性和頻發(fā)性，能夠找到切實(shí)有效的抑制鐵磁諧振的措施是十分必要而緊迫的，為此近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的專家做了大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)分析。綜合來(lái)看，一般抑制諧振的措施可以分為兩大類。

3.1 通過改變系統(tǒng)參數(shù)消除諧振

我們可以將變電站看成一個(gè)電感L，變電站出線所帶的用戶可以看成是電容C，正常在工頻情況下，WL和1/WC不會(huì)相等，若相等就滿足了諧振條件，電感的能量和電容能量就會(huì)不斷轉(zhuǎn)換，他們中間會(huì)流過大量諧振電流，這顯然是不可能的；但是，若發(fā)生了故障，這個(gè)系統(tǒng)就會(huì)從穩(wěn)態(tài)向暫態(tài)過度，根據(jù)楞次定律，為了維持系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)過程，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抑制它變化的反向磁通，這個(gè)反向磁通一分解就是直流分量和高頻分量，也就產(chǎn)生了諧波。我們?nèi)绻芨淖僉或者C的值，讓他們不滿足產(chǎn)生諧振的條件即可，但這樣在實(shí)際操作中不可能實(shí)現(xiàn)。

3.2 消耗諧振能量

加裝阻尼和控制環(huán)流，如高壓側(cè)經(jīng)阻尼電阻接地，二次側(cè)開口三角形加裝阻尼電阻等。在發(fā)生諧振時(shí)，諧振能量在阻尼元件作用下會(huì)快速消耗，從而破壞諧振條件，達(dá)到目的。

（1）高壓側(cè)經(jīng)阻尼電阻接地。這個(gè)也就是一次消諧，即在PT回路串接一個(gè)對(duì)頻率敏感的電阻，這個(gè)電阻在工頻情況下電阻為0，一旦有高頻分量，他就會(huì)變成無(wú)窮大電阻將回路阻斷，保護(hù)設(shè)備，這個(gè)高頻分量具體是多少就涉及消諧裝置的選型，看消諧區(qū)是20次還是40次還是60次。具體選擇什么樣的消諧區(qū)是我們上一階段說的諧波監(jiān)測(cè)裝置給我分析出來(lái)的，比如，捕捉的波形一分解發(fā)現(xiàn)最高諧波是34次，那么消諧區(qū)選擇40次諧波的就完全可以。該方法能很好地抑制諧振現(xiàn)象，目前工程首選此方式。

（2）開口三角形加裝阻尼電阻。二次消諧裝置是在PT二次回路并接一個(gè)阻尼電阻絲或者燈泡鎢絲，其原理就是發(fā)生諧振通過這個(gè)電阻不斷消耗能量直到諧振結(jié)束，相比一次消諧其缺點(diǎn)就是無(wú)法監(jiān)測(cè)其好壞，因?yàn)橹挥邪l(fā)生諧振這個(gè)燈泡流過電流才會(huì)亮，平常沒有諧振不亮，就給運(yùn)維人員監(jiān)控帶來(lái)難度。

（3）高壓側(cè)經(jīng)單相PT接地。在原三相PT高壓側(cè)中性點(diǎn)處接入一單相PT，利用單相PT作為零序PT來(lái)分擔(dān)零序電壓，進(jìn)而使原三相PT不容易工作在飽和狀態(tài)的方法消除諧振。高壓側(cè)經(jīng)單相PT雖然可以有效地緩解三相的飽和程度，但能力有限，一旦這個(gè)單相也飽和，產(chǎn)生的諧振會(huì)更加麻煩。此外，閉合的三角形零序回路中難免有大的環(huán)流存在，對(duì)三相的安全造成隱患，且設(shè)備投資大，安裝困難，實(shí)際應(yīng)用較為困難。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)人員赴某廠站熱處理分廠利用諧波在線監(jiān)測(cè)裝置開展電能質(zhì)量分析測(cè)試，試驗(yàn)從早晨10:00開始持續(xù)測(cè)量，其間運(yùn)維人員通過啟動(dòng)2#加熱爐觀察錄播波形，然后，依次啟動(dòng)3#～5#加熱爐令爐膛溫度達(dá)到150℃，穩(wěn)定30min繼續(xù)監(jiān)測(cè)波形并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，隨后依次斷開2#～5#加熱爐，整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)2h。

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求，測(cè)試結(jié)果均按照95%值判定合格與否，某廠站35kV開關(guān)柜所測(cè)數(shù)據(jù)諧波含量已超標(biāo)，諧波總含量A相44.7%，B相43.2%，C相40.1%，從裝置界面可以發(fā)現(xiàn)5次、11次、13次和17次諧波含量超標(biāo)，達(dá)到了本次實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下。

（1）試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所有爐子全部啟動(dòng)晶閘管控制器根據(jù)溫度開始調(diào)節(jié)觸發(fā)角時(shí)，波形出現(xiàn)毛刺，證明晶閘管電力電子原件為產(chǎn)生諧波的主要原因，下一步需要將電力電子元器件與主變壓器之間采取隔離措施。

（2）當(dāng)所有爐子啟動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)下降明顯，證明系統(tǒng)無(wú)功被電力電子元器件消耗，產(chǎn)生短時(shí)的無(wú)功缺口。下一步需要增設(shè)小型濾波器原件與無(wú)功補(bǔ)償元器件，以補(bǔ)償晶閘管在換相過程中所消耗的無(wú)功，確保電能質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過研制的諧波監(jiān)測(cè)裝置在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用著手，進(jìn)一步驗(yàn)證了其采樣的穩(wěn)定性，錄波的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)分析的正確性。通過現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行的諧波在線監(jiān)測(cè)裝置可有效錄取熔斷器熔斷時(shí)刻的波形，裝置通過捕捉波形特征并跟典型波形庫(kù)對(duì)比得出諧波超標(biāo)的含量，同時(shí)，通過專家診斷系統(tǒng)提示運(yùn)維人員可能出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因，最后，根據(jù)理論研究的結(jié)論給PT熔斷器頻繁熔斷提供了處理建議，有極大的參考意義。