淺談供配電網(wǎng)的諧波治理

徐惠勇

(哈爾濱供排水集團(tuán)，哈爾濱 150076)

0 引言

供電質(zhì)量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時(shí)間、停電時(shí)間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面因素。其中，諧波的存在一直是主要的電能質(zhì)量問題。諧波存在于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、供、用的各個(gè)環(huán)節(jié)。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長電氣設(shè)備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

1 電力系統(tǒng)諧波的基本特性和測量

諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。從形式上看，非線性負(fù)荷是供配電網(wǎng)中諧波的主要產(chǎn)生因素。非線性負(fù)荷吸收電流和外加端電壓為非線性關(guān)系，這類負(fù)荷的電流不是正弦波，且引起電壓波形畸變。周期性的畸變波形經(jīng)過傅氏級(jí)數(shù)分解后，那些大于基波頻率的分量被稱作諧波。

非線性負(fù)荷除了產(chǎn)生基波頻率整倍次諧波外，還可能產(chǎn)生低于基波頻率的次諧波，或高于基波頻率的非整數(shù)倍諧波。而電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的系統(tǒng)短路、開路等事故，而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)過程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的范疇。要治理諧波、改善供電品質(zhì)，就需要了解諧波類型。諧波按其性質(zhì)和波動(dòng)的快慢可分成四類:準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波、波動(dòng)諧波、快速變化的諧波和間諧波四類。因其多樣性和隨機(jī)性，在實(shí)際工作中，要精確評(píng)估諧波含量值非常困難，所以在IEC 6100－4－7標(biāo)準(zhǔn)中對前三類諧波進(jìn)行了規(guī)定，推薦采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對諧波進(jìn)行測量分析。兼顧數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮的需要，該標(biāo)準(zhǔn)中對測量時(shí)段以及通過測量取 得的諧波值提出了如下表建議。

諧波測量時(shí)段及計(jì)算諧波值

國標(biāo)GB/T 14549－1993采用觀察期3s為有效測量的各次諧波均方根值的95%概率作為評(píng)價(jià)諧波的標(biāo)準(zhǔn)。為簡便實(shí)用，將實(shí)測值按由大到小的方式排序，在舍去前5%個(gè)大值后剩余的最大值，近似作為95%的概率值。

實(shí)際工作中，通常采用諧波測試儀監(jiān)測和分析諧波。將用戶接入公用電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)作為諧波監(jiān)測點(diǎn)，測量該點(diǎn)電壓和注入公共電網(wǎng)電流，通過對電壓和電流分析，取得諧波測量資料。相對單點(diǎn)諧波測量而言，從區(qū)域或整個(gè)電網(wǎng)角度來看，諧波源的定位和確定諧波模型進(jìn)而分析一個(gè)相對復(fù)雜的過程。諧波源定位，一般采用功率方向法和瞬時(shí)負(fù)荷參數(shù)分割法。而諧波模型分析的方法一般有三種:非線性時(shí)域仿真、非線性和線性頻率分析。三種方法的相同點(diǎn)是對電網(wǎng)作適當(dāng)?shù)木€性化處理，只是在處理非線性設(shè)備時(shí)采取了不同模擬方式。

2 供配電網(wǎng)中的諧波源

嚴(yán)格講，電力系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上。發(fā)電機(jī)由三相繞組組成，理論上講，發(fā)電機(jī)三相繞組必須完全對稱，發(fā)電機(jī)內(nèi)鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波產(chǎn)生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面限制，發(fā)電機(jī)總會(huì)產(chǎn)生少量諧波。

輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作狀態(tài)下磁通密度位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線性就越遠(yuǎn)，產(chǎn)生諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。

用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設(shè)備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產(chǎn)生一定量的諧波。晶閘管整流技術(shù)在很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量諧波。有統(tǒng)計(jì)表明，整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個(gè)諧波的近40%，是最大的諧波源。

變頻原理也在廣泛應(yīng)用，變頻一般分為兩類:交－直－交變頻器和交－交變頻器。前者將380 V 50 Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號(hào)，濾波后由大功率晶體開關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號(hào)。后者將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì)產(chǎn)生含復(fù)雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會(huì)對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。充氣電光源和家用電器、計(jì)算機(jī)等更是常見的諧波源，或因其伏安特性具有明顯的非線性特征，或因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，都會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波，這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。

3 諧波在配網(wǎng)中的危害

諧波對于配電系統(tǒng)的危害，表現(xiàn)在對線路上所配置的保護(hù)及測量設(shè)備的影響。因這些設(shè)備多采用電磁式或感應(yīng)繼電器元件，易受諧波干擾而誤動(dòng)和拒動(dòng)，系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動(dòng)和拒動(dòng)，與諧波不無關(guān)系。所以諧波超標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重威脅配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

諧波會(huì)大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致噪聲，會(huì)使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)。對于電力電容器，諧波會(huì)導(dǎo)致端電壓升高，損耗加大、發(fā)熱，加速老化，縮短使用壽命。

供配電網(wǎng)中大量的異步電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的諧波會(huì)增加附加損耗。負(fù)序諧波產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，影響電動(dòng)機(jī)的有功出力。對斷路器而言，無論其構(gòu)成元件為電磁的、還是熱磁的都可能受諧波的影響誤動(dòng)。

電能表是評(píng)價(jià)電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費(fèi)的憑證，而諧波可能使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)量混亂。同樣，諧波也是引起濾波、保護(hù)裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)的重要因素。

4 供配電網(wǎng)的諧波治理對策

既然諧波存在多方面的危害，那么采取必要的有效手段，避免或補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波，就顯得尤為重要?？蓺w納以下幾點(diǎn)治理措施:

(1)加強(qiáng)有關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹。IEC 6100以及國標(biāo)GB/T 14549－1993，對于諧波定義、測量等進(jìn)行了規(guī)定，明確諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的舉措;

(2)主管部門對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)、正確的測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料;在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求;對于供電部門而言，可以評(píng)估電力用戶的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。

(3)針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的隔離、補(bǔ)償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)加裝濾波設(shè)備來減小諧波注入電網(wǎng)。對于各種電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)初始，就要考慮其設(shè)備的諧波污染度，采取措施將諧波限制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

(4)加強(qiáng)管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門，要調(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面，在分清諧波來源基礎(chǔ)上，走共同治理之路。

5 結(jié)束語

諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質(zhì)的重要手段。GB/T 14549－1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》對電網(wǎng)中各級(jí)電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制，對用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理有明確的規(guī)定和要求，而人們在日益發(fā)展的電網(wǎng)中對有關(guān)諧波的治理并未引起足夠的重視，認(rèn)識(shí)還有待提高。農(nóng)網(wǎng)中高壓配電的許多用戶，對諧波的危害也沒有引起足夠的重視，往往認(rèn)為諧波治理是電力部門的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門有必要加強(qiáng)諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波治理的重要性和投資回報(bào)。在對諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，提出適合于用戶的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個(gè)的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長用戶電氣設(shè)備的使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局·電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549－93.

［2］中華人民共和國電力工業(yè)部。并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范［S］GB 50227－95.

［3］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，王躍。諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］機(jī)械工業(yè)出版社，2005－10.

［4］劉勁風(fēng)，王述洋.電力系統(tǒng)信息安全關(guān)鍵技術(shù)的研究［J］.森林工程，2007－7.

［5］苑舜，韓水。配電網(wǎng)無功優(yōu)化及無功補(bǔ)償裝置［M］中國電力出版社，2003－10.