浅谈谐波分析及治理在配电网中的应用

时间：2020-09-09

摘要：为解决供电紧张的问题，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。因此提高电源的功率因数和降低谐波成分存在着根本的矛盾。文章分析谐波基本性质和测量方法，对配网中谐波的来源和危害进行了详细说明，总结和提出了治理谐波的若干方法。

关键词：配电网;谐波

谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、城网中，谐波治理有明确的规定和要求，而日益发展的农村电网对有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。

1 配电网中的谐波源

1.1 发电机产生的谐波

严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波多位于用电环节上。发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组须完全对称，发电机内的铁心也须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖**形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。

1.2 整流设备产生的谐波

用电环节谐波源更多，晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波。晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近 40%，是较大的谐波源。

1.3 变频器产生的谐波

变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交—直—交变频器和交—交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波;电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。

2 谐波与电容补偿的关系及具体事例分析

谐波问题是**电力行业普通存在的问题，各个国家投入大量资金进行研究和治理。我国涉足这个领域时间尚短，经验和认知程度不足，必然造成不小的浪费。近几年对某公司的电源设备进行了追踪检测，取得的一些数据也说明了一些问题。以下是对一个配电机房进行了一次谐波测试，测试结果如表 1。

表1

由以上测试数据可知，此次测试的六个配电室中除 4 配电室，均含有较大量的谐波。

为了切实查清谐波对电容器的影响，分四次每次投入60kVAr 分别又重新做了一次电容器分步投切与谐波的影响测试：电流总畸变率(THD%r)由没有投入电容器时的 4.8%(L2 相)增加到投入四路电容器(240kVAr)时的 41.4%，其中 11 次谐波由 1.3%增加到 39.0%。出现这种情况是由于感性的系统阻抗和电容器在 11 次谐波频率附近发生了谐振，从而导致进入电容器组和变压器的谐波电流急剧增加。谐波电流对变压器及其所带负荷，均有较大的危害。当电容器从 0kvar 分步投入到 240kvar，而负荷电流(Arms)由724A下降到605A，功率因数Cos由0.75提高到0.96。功率因数(PF 值)，从0.75提高到0.87;但是从投入180kvar 和240kvar数据对比来看，当投入240kvar后，相对于180kvar时，系统感性无功功率不减反增，从192.2kvar增加到204.9kvar，视在功率从20.4kva增加到427.5kva;说明了由于系统中的谐波产生的失真功率**过了了补偿的系统无功容量，并使得功率因数 pf，从0.89下降到0.88，导致了系统无功补偿的失效。降低了变压器利用率，额外造成了能耗的增加。

3 谐波在配网中的危害及具体事例分析

3.1 对变压器的影响

当谐波电流和基波电流一同流经变压器绕组时，由于高频率的谐波会对变压器发生严重饱和，使变压器的激磁电流和谐波电流大增，变压器的铜损和杂散磁通损耗变大，可能会出现变压器噪音变大，变压器达不到额定负荷输出，情况严重的可能会导致变压器出线局部过热破坏绝缘，从而危害配电室和电网的安全运行。

3.2 对电容器的影响

由于电容器的容抗与频率成反比，当频率越高时，电容器的容抗越低，因而谐波会更多的通过电容器，从而造成电容器的过载而损坏。另外系统中的高次谐波有可能使电容器产生谐振，产生较高的谐振过电压而损坏电容器，甚至导致电容器漏液、着火及至爆炸，有可能会影响整个配电室的供电。

3.3 对其它电力设备的影响

由于谐波在这些设备上产生明显的集肤效应使得发电机等铁磁设备损耗明显变大，产生过热，绝缘提前老化发电机出力明显不足，过热，噪音大，振动大等;同时电缆产生过热，绝缘提前老化。谐波对电网负担的加重，由于非线性负载通常功率因数较低，造成：无功功率变大;电流有效值变大;电网的可用容量下降;电网的品质变坏，波形失真，频率改变等。电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动，保护误动和拒动的重要因素。

3.4 继电保护和自动装置的影响

对于由电压或电流信号启动动作的继电器或启动元件，当基波动作量并未达到整定值时，由于较大的谐波量和基波量叠加后的综合量**过动作值。当电压和电流继电器或元件配合差动电路、零序电路或负序电路，构成差动、零序或负序继电器启动元件时，则对谐波影响都很小。因为这些电路输出的基波量都很小，相应的元件的整定值都很低，所以输出量的谐波含有率有可能很高，谐波量在动作量中的比重有可能很高。

3.5 谐波对高压柜电压互感器影响

某地的高压成套设备，电压互感器是铁芯外露的半封闭结构，正常运行中烧坏一台。后将 PT 返厂解剖分析并对环氧树脂进行理化试验所得：

(1)击穿点靠近铁芯处偏上部，经查看该处绝缘良好，未发现 PT内部有浇注缺陷。一次线圈烧坏，铁芯内部有发黑现象，从现象看有发热迹象。

(2) 理化试验数据所得符合E-39D环氧固化体系标准的要求。

(3) 生产厂家认为PT的击穿原因可能是系统中含有高次谐波，过电压作用因积累效应造成励磁电流激增，铁芯饱和，两者相互作用形成恶性循环，严重发热致使 PT 烧坏。

现场变压器检测结果与数据分析如表 2

表2

由于大量非线性负载(UPS、机房空调设备等)的使用，大量谐波注入系统，电压电流畸变明显，谐波污染将造成不必要的能源损耗，缩短设备使用寿命，使系统安全性降低，设备准确度下降，使得保护装置误动作，损毁供电设备及用电设备，还会造成数据传输发生故障甚至数据丢失，存在安全隐患。因此应对各变压器低压主馈电回路使用有源滤波器对谐波进行治理。

4 谐波治理措施的分析与比较

根据技术原理的不同，谐波治理的解决方案有多种，应用有源电力滤波器进行谐波治理，因其动态滤波能力，滤波效果等优势，被越来越广泛地应用，是谐波治理的技术发展方向。下面对不同的谐波治理技术做简要的分析和比较。

1.1 传统的谐波治理方式

(1) 变大供电容量。这是一种原始的方法，当谐波问题影响到电力系统时，就变大供电系统的容量。例如: 变大变压器或发电机容量，以求系统能够忍受谐波带来的种种问题;当谐波问题出现在电缆传输过程中，就变大电缆的横截面，以减少集肤效应的影响。无疑地，这是一种既昂贵又消较的办法，昂贵就贵在了每变大1KVA 的供电能力，就要支付大约 1000元~1200元人民币的投资，要变大几百KVA，其价格就要增加几拾万元人民币;消较方面是说这种办法根本没有解决谐波的客观存在，仅仅是把谐波的影响降低到尽可能小的程度，一旦负载容量变大，谐波问题又会再次涌现出来。

(2)采用特殊的变压器变换。例如采用?/Yno 的方法可以治理三次和3n次谐波对电网的注入;采用?/Y+?/?移相式变压器可治理整流器中的5次、7次谐波;采用K-13特殊变压器还可以同时治理 3~17次谐波对电网的注入。这种方式的一次性投资都比较大，而且由于特殊变压器串联在电网与负载之间，形成了附加阻抗，降低了电网的实际带载能力;当负载发生较大增容时也受到了一定的限制，其结果会使剩余次谐波所产生的电压失真度也变大了。

(3) 双桥或多桥式整流器。工业生产中可控硅整流器是一种常见的变流设备，三相全控桥式整流又是应用普通的设备，然而也是谐波含量较高的设备，在一些有色金属冶炼中，为了减少谐波对电网的影响，往往采用 12 脉冲整流器，甚至 24 脉冲整流器，虽然谐波电流得以治理，但一次性投资仍然很大，并且由于采用的功率电路复杂，设备的可靠性相对降低，对工业生产是有消较作用的。

(4) 无源滤波器。这是应用较广泛的谐波治理手段。它是按照希望治理的谐波次数专门量身定造的，采用电感电容的调谐原理，将高次谐波陷落在滤波器中，以减少对电网的注入。但是这种滤波器对于负载谐波频谱发生变化时，就显得软弱无力了。在采用发电机组供电的场合，这种滤波器的启动电流又很大，呈容性负载，往往使发电机组难以承受;如果是多台滤波器并联使用或补偿的无功功率与负载的需求不一致，还可能造成供电系统的谐振现象。

(5)串联电抗器。串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频调速器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大，因此其治理谐波的作用受到限制。通常只能使电流失真度(THDI)降低50%左右。

4.2 传统的谐波治理方式的特点

传统的谐波治理方式虽然能在一定程度上解决了谐波对电网注入的问题，但普遍存在着效果不理想的情况，主要表现在:

(1)谐波频谱的适应范围较小，大多是针对某一次或某几次谐波进行治理，如果负载是一个宽频谱或频谱发生变化时，就很难获得理想的效果。

(2)适应负载特性的能力较差，如果负载是一个频繁变化的特性，或是负载系统是由众多的不同特性的设备群组成的，则上述这些治理方式均受到局限。

(3)效率低也是上述治理方式的局限性, 不论是串联电抗器还是变压器变换或者是低通滤波，这些功率器件本身都存在着阻抗，会产生一定的附加损耗，其结果不是设备方面的效率降低(大约 2~3%)，就是供电系统的带载能力降低。

(4)治理的效果仍然不够理想，作为衡量治理效果的指标就是总谐波电流失真度的衰减率(THDI Attenuation Ratio)，通常对某一次或某几次谐波可能有 5~8 倍的衰减，而对总谐波失真度一般仅能达到 2~3 倍。

(5)过载能力较差，使负载电流变大受到约束。

(6)基波频率不能改变，例如：50Hz变为60Hz。

(7)系统阻抗变化时有共振的危险。

(8)整体尺寸、重量、造价都是不可忽略的因素。

4.3 有源电力滤波器

与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可治理闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。

5 安科瑞谐波治理产品选型

5.1安科瑞ANAPF系列有源电力滤波器介绍

有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。

图5-1

5.2安科瑞有源电力滤波器选型

立柜式

备注：具体尺寸按报价方案为准。

模块化

6 配电网谐波治理的对策

既然谐波存在多方面的危害，采取必要的手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：

(1)加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100 以及国标GB/T14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。

(2)主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料;在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求;对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了**标的谐波污染。

(3)针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限在标准允许的范围内。

(4)加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。

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