電網(wǎng)環(huán)境中諧波的危害及其治理

陳吉明

摘要：諧波的存在嚴(yán)重影響著供電質(zhì)量，但卻是不可避免的。近些年很多企業(yè)都采用HAPF技術(shù)，而不是簡單的PPF，這極大改善了補償措施。文章介紹了諧波的產(chǎn)生及其對電氣設(shè)備的危害，同時提出降低諧波的一些改進(jìn)舉措。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)環(huán)境；諧波；供電質(zhì)量；HAPF技術(shù)；PPF

中圖分類號：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）19-0119-02

諧波在電網(wǎng)中是一定存在的，它嚴(yán)重影響著供電質(zhì)量，對電氣設(shè)備的危害也很大，尤其是對電容器的危害更大。近些年很多企業(yè)都采用HAPF技術(shù)，而不是簡單的PPF，這極大改善了補償措施。文章將重點介紹諧波的危害和處理方法。

1電網(wǎng)諧波的生成

在電網(wǎng)中，發(fā)電機發(fā)電都是三相對稱的交流正弦波，其頻率各國有所差異，我國的規(guī)定是50Hz，這就是基波。諧波是相對于基波而言的，諧波國標(biāo)GB／T 14549-93上的說明是“對周期性交流量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到的頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量”，由于非正弦波都可以用傅立葉級數(shù)表示，它的幅值和初相角都與諧波次數(shù)有關(guān)。根據(jù)諧波的諧波次數(shù)可以分為奇次諧波和偶次諧波。另外，當(dāng)諧波同基波頻率不是整倍數(shù)關(guān)系時稱為諧間波，當(dāng)諧波頻率低于基波頻率時稱為次諧波。

我國的供電系統(tǒng)的基波頻率都是50Hz，當(dāng)電網(wǎng)的正弦波電壓加在非線性負(fù)荷上時，負(fù)荷吸收的電流就會不同于施加電壓的波形，也就是電流出現(xiàn)了畸變。畸變電流會在電源系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生電壓降，也就是畸變電壓。畸變電壓在電源部分，對后邊的所有負(fù)荷都會產(chǎn)生影響，無論線性還是非線性，后邊就會產(chǎn)生更多的畸變電壓。當(dāng)電網(wǎng)中某種比例電抗器自身電抗和電容比率合適，就可以產(chǎn)生固定次數(shù)的諧波電流，而且這種諧波電流會被放大，甚至達(dá)到電源電流的10倍以上。在電網(wǎng)中存在很多諧波電流，但是對于使用電器只要諧波電流很小就不會有問題，只有諧波電流很大時才會產(chǎn)生危險。由此可以知道產(chǎn)生諧波的根本原因還是負(fù)載的非線性特性，非線性負(fù)荷造成電壓和電流的非線性關(guān)系，從而引起畸變電流和畸變電壓，這里主要有三種類型的設(shè)備：鐵磁飽和、電子開關(guān)、電弧。典型設(shè)備有電抗器、變壓器、整流器晶閘管、逆變器、電弧鋼爐和交流焊接機等。

2諧波對電網(wǎng)和電氣設(shè)備的危害

2.1諧波對電機的影響

通常諧波的頻率都會高于基波頻率，而一些電機對頻率是非常敏感的，在電機運行時會產(chǎn)生集膚效應(yīng)和磁滯渦流，使得附加損耗增加。并且會使定子和轉(zhuǎn)子建立的漏磁場產(chǎn)生額外的損耗，對斜槽轉(zhuǎn)子感應(yīng)機、定子磁通的變化都會產(chǎn)生很大的鐵損。對很多小型電機的實驗已經(jīng)證明，電機持續(xù)受到負(fù)序電壓為額定電壓3%時，電機的壽命至少減半，由于不規(guī)律的諧振會造成電動機的震動加強，電動機的機械壽命也會大大減小。一些特殊情況下還會使電動機的局部過熱，嚴(yán)重?fù)p壞電機。另外，諧波還可能產(chǎn)生脈沖波，這對電機的轉(zhuǎn)矩影響較大，嚴(yán)重的時候還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子斷條以及轉(zhuǎn)軸扭曲振動的

問題。

2.2對電力變壓器的影響

通常電力變壓器的激磁電流中都存在諧波電流，但是一般在額定電流的1%～3%，這樣變壓器的磁通還是趨于正弦波的，所以它不會引起變壓器的鐵損和發(fā)熱。即便是變壓器啟動時，存在的諧波電流很大，甚至超過額定電壓，但是一般浪涌電流存在的時間都很短，也不至于對變壓器構(gòu)成威脅。但是變壓器諧波振動時，諧波電流將會被成倍放大。對于全星形接法的變壓器，正常時每相繞組電壓的3次諧波含有率可達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值，若繞組中性點接地，且該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或裝有中性點接地的并聯(lián)電容器組時，可能構(gòu)成接近于3次諧波諧振的條件，使3次諧波電壓和電流增大。

2.3諧波對通信和電器的影響

諧波對通信線路的干擾主要通過電容耦合、電磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)進(jìn)行。諧波對通信線路的干擾，不但可能損害通話的清晰度，而且在諧波和基波的綜合作用下曾發(fā)生多次觸發(fā)電話鈴響的情況，甚至在極端情況下會威脅到通信設(shè)備和人員的安全。家用電器通常對電壓電流都是有限制的，一方面供電點的質(zhì)量會使很多電器直接受到諧波危害；另一方面，電器本身也會產(chǎn)生諧波，所以電器群中的電器還會相互影響，這樣更增加了供電電壓畸變。諧波電流和電壓噪聲以及靜電場都會使計算機的程序出錯，使得一些家電不能正常工作。

3諧波的處理方法

諧波的存在嚴(yán)重威脅著供電質(zhì)量，對電氣設(shè)備的危害也是不言而喻的。要控制諧波，就必須對產(chǎn)生諧波的諧波源進(jìn)行監(jiān)控和治理。諧波的處理人們很早前就開始研究，現(xiàn)階段我國大部分企業(yè)的處理措施還是采用電抗器和電容器組成濾波電路，也就是常說的無源電力濾波器（PPF），這種措施主要是利用LC電路的諧振作用削弱諧波。這種方法投資少、效果好，所以長期被人們采用。但是，這種措施也有明顯的缺陷，從三個方面說：（1）PPF一般都是對固定頻率的諧波起作用，其參數(shù)也是設(shè)置好的，所以只能補償某一頻率的諧波，而且它的濾波效果與電網(wǎng)的穩(wěn)定性有關(guān)，也不可能對所有諧波起作用。（2）PPF上都存在電容電感，這些很可能和電網(wǎng)發(fā)生串聯(lián)，極易損壞電容，對電網(wǎng)的安全也會構(gòu)成一定威脅。（3）雖然PPF的成本不高，但是它卻耗費大量的金屬材料，體積龐大，在安裝時也是耗費很多人力，越來越不符合節(jié)約型社會的要求。

為解決PPF只能補償固定頻率諧波的問題，很多商家開始生產(chǎn)動態(tài)PPF，也就是利用多組LC濾波電路分別對不同頻率的諧波進(jìn)行濾波，實質(zhì)和PPF沒有區(qū)別，僅僅是增加了LC的組數(shù)，但在效果上還是得到了很高評價，不過對于后邊的兩個問題這種措施也是束手無措。隨著電力電子的發(fā)展，上世紀(jì)的70年代一種新的有源電力濾波器出現(xiàn)了，簡稱APF，而且大有統(tǒng)一市場的氣勢，在西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)開始使用。這種技術(shù)可以利用計算機實時性地計算出電網(wǎng)中諧波的頻率，然后指揮輸出設(shè)備輸出一個和諧波大小相同、方向相反的電流去抵消諧波電流，達(dá)到補償?shù)男Ч＿@種措施利用了先進(jìn)的控制技術(shù)和計算機技術(shù)，控制效果要好很多，而且其動態(tài)實時性也是無法比擬的。不過現(xiàn)在APF面臨的唯一問題就是造價高，使用成本高，對一些電子器件的要求也是很高，比如電壓電流的限制等，除了一些重要的場合，這種技術(shù)使用的還是很少。為解決問題，很多企業(yè)采用PPF和APF的組合體，先利用PPF消除大的諧波，再利用APF對一些小的諧波進(jìn)行補償，雙管齊下，這樣減小了APF對電子器件的性能要求，也就降低了造價，同時又利用了PPF低廉的造價，這種組合體叫做HAPF。

這里以某個造紙廠電機運行速率為例進(jìn)行說明。由于該電機的運行速率波動較大，導(dǎo)致產(chǎn)品加工時的斷頭率較高。隨后對設(shè)備進(jìn)行檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)問題出在了變頻器上，變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)入車間，并在電網(wǎng)傳播，導(dǎo)致了電機的運行波動。工廠決定安裝HPD設(shè)備，對電網(wǎng)質(zhì)量進(jìn)行改善，結(jié)果斷頭率明顯下降，經(jīng)濟效益明顯改善，其中斷頭率下降效益21萬、產(chǎn)品質(zhì)量效益96萬、設(shè)備穩(wěn)定效益10萬、電能節(jié)約效益2萬，通過治理每年增加效益129萬元。

4結(jié)語

諧波的存在威脅了電氣設(shè)備的正常運行，同時也給電能計量帶來了麻煩。在消除諧波的措施中，HAPF逐漸取代了PPF，這也是科技發(fā)展的必然結(jié)果，相信隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，更有效且成本更低的技術(shù)一定還會出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：文森）