１１０ＫＶ變電所諧波治理原理及應用分析

摘要：諧波主要來源于三個方面，一是發電源質量不高產生；二是輸配電系統產生；三是用電設備產生。本文就110KV變電所諧波的治理和應用提出一些建議。

關鍵詞：變電所 諧波治理 補償

1 諧波簡介

1.1 諧波的來源 諧波主要來源于三個方面，一是發電源質量不高產生；二是輸配電系統產生；三是用電設備產生。但主要的來源是第三方面。經統計表明，由整流裝置產生的諧波占所有諧波的40%，而變頻裝置常用于風機、水泵等設備中，采用了相位控制，產生的諧波成分很復雜，而且對電網造成的諧波也越來越多。電弧爐、電石爐在加熱燃料時產生的諧波電流平均達到基波的45%。家用電器如電視機、計算機、洗衣機也是諧波的主要來源之一。電力系統中有非線性（時變或時不變）負載時，即使電源都以工頻50HZ供電，當工頻電壓或電流作用于非線性負載時，就會產生不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，這些不同于工頻頻率的正弦電壓或電流，用富氏級數展開，就是人們稱的電力諧波。

1.2 諧波的危害

1.2.1 對電力系統的影響：①造成電網污染，電網電壓的嚴重畸變，影響線路的穩定運行和電網的質量。②供電系統損耗增加，系統功率因數降低；

1.2.2 對電力設備的危害：①電纜電線過熱，絕緣老化加速，易損壞并導致線間短路和接地故障引起電氣火災和人身電擊事故；②變壓器和馬達的過熱，損壞甚至于燒毀；③補償功率因數的電容器過熱，易損壞，壽命短；④斷路器及漏電保護裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護元件過熱，失靈，誤動作，接地保護裝置功能失常；⑤中性線過負荷、發熱，甚至于燒損、著火；

1.2.3 產生對計算機網絡、通信、有線電視等弱電系統設備的干擾。

1.2.4 諧波對人體有影響：電網諧波的電磁輻射會直接影響人的腦磁場與心磁場。

2 諧波治理

諧波治理就是在諧波源處安裝濾波器，就近吸收諧波源產生的諧波電流，現在廣泛采用的濾波器為無源濾波器，另外有利用時域補償原理的有源濾波器，這種濾波器的優點是能做到適時補償，且不增加電網的容性元件，但造價較高。無源濾波裝置，吸收高次諧波，而所有濾波支路對基波呈現容性，正好滿足無功補償要求，不必另裝并聯電容器補償裝置，這種方法經濟、簡便，國內外廣泛采用。濾波器的種類。濾波器大致分為以下六種類型：①單調諧波濾波器；單調諧濾波器通頻帶窄，濾波效果好，損耗小，調諧容易，是使用最多的一種類型。②雙調諧濾波器；雙調諧濾波器可替代兩個單調諧濾波器，只有一個電抗器（L1）承受全部沖擊電壓，但接線復雜，調諧困難，僅在超高壓系統中使用。③一階高通濾波器；一階高通濾波器因基波損耗大，一般不采用。④二階高通濾波器；二階高通濾波器通頻帶很寬，濾波效果好，既可調諧振點，又可調諧曲線銳度，并可防意外共振與放大，因此也有以二階寬通帶做低次濾波器。⑤三階高通濾波器；三階高通濾波器一般用電弧爐濾波。⑥“C”式高通濾波器。“C”式高通濾波器，用于電弧爐濾波，對二次諧波特別有效。

3 變頻器供電系統的諧波治理與無功補償原理和應用

下面就TSC動態無功功率補償裝置和固定投入的濾波裝置的結構、原理作簡要介紹。其特點是晶閘管電子開關將濾波器投入、退出電網速率為10mS，無功補償動態響應時間15mS，各次諧波濾除率80%以上。濾波器為L-C串聯濾波器，可以設計成五次、七次、十一次、十三次濾波器或6%電抗濾波器。

3.1 如果負載相電流分別為ia、ib和ic，其對應無功電流分量的有效值是Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)，采用星電容器接法，線間補償電流的有效值分別為Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。線間應投入多少單位電容量nab(t)、nb(t)和nca(t)：從包含諧波的負載相電流ib和ic中計算負載三相無功電流Iaq(t)、Ibq(t)和Icq(t)。

3.2 根據負載三相無功電流計算三相補償電流Iab(t)、Ibc(t)和Ica(t)。

3.3 根據三相補償電流和網壓計算各路應投入多少單位電容naq(t)、nbq(t)和ncq(t)。

為降低輻身干擾，選用鐵芯電抗器。裝置的核心技術是晶閘管電子開關高速率將濾波器投入、退出電網平滑無沖擊。裝置內計算機還對散熱器溫度、補償電流、電網電壓和接觸器接點進行監視，在無人值守情況下，實現散熱器超溫、補償電流過流和過載、電網電壓氛相和相序錯、接觸器等故障的保護和容錯運行。裝置運行后，不僅使功率因數大于0.95，而且使諧波電流和網壓畸變率均達到GB/T14549-93國家標準。

為避免諧波放大，為減少投切沖擊和防止補償網壓提升，電容量應做得較小，使網壓提升不超過1.5%。實際運行時，諧波電流是基波電流的四、五倍。這對鐵芯電抗器和諧波濾波器都有較高的設計要求。裝置內計算機對補償電流過流和過載、電網電壓缺相和相序錯、接觸器等故障的保護。濾波裝置投入運行后，變壓器輸出電流接近正弦。

4 諧波的治理

4.1 諧波治理標準GB/T 14549-93《電能質量公用電網諧波》

該標準對不同電壓等級各次諧波允許注入值都作了具體規定（略），其規定公用電網諧波電壓（相電壓）限值。

4.2 治理諧波方法 目前，我們國家諧波管理遵循“誰干擾，誰污染，誰治理”的原則。我國國家技術監督局于1993年發布了GB/T14549－93《電能質量公用電網諧波》的國家標準，標準中明確規定了公用電網電壓諧波限值。

治理諧波方法有：①增加換流裝置的相數或脈沖，減少換流裝置產生的諧波電流。②改變非線性負荷接入電網的接入點。把諧波產生容量大的設備接入到高一級電網的母線，或增加非線性負荷到對諧波敏感負荷之處的電氣距離。③在諧波源處或在適當的母線上加裝電感、電容式或其他型式的濾波器，吸收諧波電流。④對于無功沖擊很大的負荷，有時需要同時加裝靜止無功補償裝置和濾波器，才能有效抑制諧波。

隨著變頻器的廣泛應用，變頻器供電系統的諧波治理與無功功率補償的意義逐漸被人們所認識。變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。

基波無功電流占用電網容量；導致網壓波動；在供配電設施產生熱損耗；降低了供配電設施運行可靠性。諧波和間諧波的集膚效應使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；鐵芯中附加高頻渦流損耗；諧波和間諧波電流導致網壓波形畸變和輻射干擾，引起同一電網下其它負載出力減小，損耗增加，甚至誤動作。變頻器用量較大的車間，用電容器直接進行無功力率補償雖然可以大副度降低基波無功電流，但是必然出現諧波放大現象。這時，供電電流和電容器電流中諧波和間諧波電流大副度增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，供電變壓器溫升加大。為避免諧波電流大副度增加，諧波治理與無功功率補償必須同時進行。

從基波的無功電流，諧波和間諧波電流的危害上可看出：采用就地諧波治理與無功功率補償可以獲得最大的效益。根據我們的經驗，采用就地諧波治理與無功功率補償，一年或一年半時間即可從節能中回收全部投資。

5 結束語

諧波治理就是在諧波源處安裝濾波器，就近吸收諧波源產生的諧波電流，現在廣泛采用的濾波器為無源濾波器，另外有利用時域補償原理的有源濾波器，這種濾波器的優點是能做到適時補償，且不增加電網的容性元件，但造價較高。無源濾波裝置，吸收高次諧波，而所有濾波支路對基波呈現容性，正好滿足無功補償要求，不必另裝并聯電容器補償裝置補償。