供配電系統諧波產生、危害和故障分析

周連軍，魏雙亭，王新捷

（1.上海同濟大學，上海 200092； 2.天津市電工技術科學研究院，天津 300232）

引言

電是當今社會不可或缺的能源，電能質量也隨之被人們熟知，但各類電子設備的廣泛應用，使諧波問題越來越受到重視。它可以對電力系統、供配電系統造成一系列安全隱患，它的非線性、隨機性、影響因素的復雜性可形成不可預知的潛在威脅。本文就三次諧波這一問題進行探討。

目前在辦公樓、寫字樓和商場中大量使用電腦、電視、復印機等電子產品是造成線路中出現3 次諧波的主要因素，這就是在供配電線路中A、B、C 三相配電正常，N極線路發熱異常燒斷的因素之一。以下是我們使用電能測試儀FLUKE 43B 測得部分用電波形圖（圖1）所示。本文就這一問題進行探討。

1 諧波的產生

1.1 諧波的分類

供配電系統中產生的諧波有以下2 類：①暫態諧波：暫態諧波的產生是由負載突變、故障引起；②穩態諧波：穩態諧波是由非線性負載產生。

1.2 產生諧波的原因

辦公用的樓宇在供配電系統中諧波基本以3 次諧波為主, 更高次諧波逐級遞減(可以忽略) 。 產生諧波的主要原因有以下幾種：

1.2.1 電源側的非正弦波高次諧波是由發電機、變壓器、電力電容器、電抗器等非線性設備和元件生產的。這些設備和元件當合閘、分閘時引起電壓、電流躍變會產生一些高次諧波。

1.2.2 電力電子裝置產生的諧波：目前電力電子裝置已成為最主要的諧波源。在各種電力電子裝置中整流裝置占的比例最大，常用的整流電流主要采用可控硅電路或二極管整流電路。其中，單相橋式和三相橋式整流電路產生的諧波對配電系統的污染最為嚴重，其次是直流側采用電容器濾波的二極管整流電流，也是嚴重的諧波源。例如：中央空調、空調器（特別是變風量空調器）、電視機、計算機、復印機、微波爐、洗衣機等。

1.3 三相供配電系統中三次諧波對線路的影響

非正弦周期性交流電路的分析常采用傅里葉級數方法。

周期函數 ，可表示成傅里葉級數：

當電源包含高次諧波時，三個電源電壓在波形上相同，在時間上相差1/3 個周期，可以表示為：

可看出：

1）各次諧波都是奇次項的。

2）7,13 ,19 次等諧波與基波相位完全相同，組成正序三相電壓組。

3）5,11 ,17 次等諧波與基波相序相反，組成為A-C-B 負序三相電壓組。

4）3,9 ,15 次等諧波，uA, uB, uC的相位相差360°，稱為零序電壓。

可見，三相四線制供配電系統中的諧波經傅里葉級數分析后，每一相線中均流過各自相的三序分量，而中性線將流過三相的三序分量，但經過矢量疊加后只有三相的零序分量通過。

在電源相電壓中的零序諧波組，3 次諧波,沿電源回路之和將不等于零。回路中將有3k(k=1, 3, 5...)次諧波的環行電流，其有效值為：

由于各相3k 次諧波大小相等、相位相同故得出結論：

這時中性線中的電流為：

有效值為：

圖1 某商場一層3 次諧波監測波形

三次諧波電流主要由單相非線性負載產生，由于三次諧波屬于零序諧波，在三相供配電網絡中，各相的相位差為120°，這正好是三次諧波電流的周期，每相負載內的三次諧波電流在中線性匯集時，其瞬時值是直接同相相加，這個電流完全可能大于相線電流，使開關的N極長期發熱，甚至燒毀。

2 治理諧波

諧波治理就是通過各種措施減少諧波的產生或者使產生的諧波流入濾波設備，或者抵消產生的諧波，使供配電線路的諧波含量符合電網諧波標準GB 14549-2003的要求。就本文提出的問題，我們采用了兩種方案，①在商場變電室添加了電容器和電抗器組合的濾波器，由于成本高，在實際使用中我們只選用了三次諧波濾波器。②針對商場用電設備不均衡和初期樓宇設計與實際使用荷載容量不一致的情況，合理調配整理線路；同時在事故頻發線路中更換斷路器，改為N 極帶過流保護脫扣器的斷路器；最后經過測試運行后線路正常，未再出現線路故障問題。

3 結語

根據前面分析，為了保證線路中各種電子設備正常穩定的工作，我們應該采取相應的措施、應用新設備，減少電壓波動及閃變，增加消諧設備提高電能質量，消除電能污染。

[1]肖湘寧.電能質量分析與控制[M]. 北京：中國電力出版社,2010 .

[2]林海雪.電能質量技術講座 [C]. 北京：中國電力科學研究院,2012.