電力系統(tǒng)諧波分析

張超

【摘 要】電力系統(tǒng)中共2只變壓器，總?cè)萘繛?000KVA。用電設(shè)備為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻器大量運(yùn)用，用電過(guò)程中產(chǎn)生了大量的諧波，同時(shí)電流嚴(yán)重滯后于電壓，功率因數(shù)極低，對(duì)系統(tǒng)造成了不良后果，主要是：1）系統(tǒng)存在較嚴(yán)重的諧波電流、電壓，注入公共連接點(diǎn)后，污染了公用電網(wǎng)。同時(shí)給企業(yè)自身造成變壓器溫升過(guò)高，附加損耗增加、線損增加，影響公司內(nèi)部辦公系統(tǒng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行不正常，造成電能資源浪費(fèi)等問(wèn)題，給企業(yè)帶來(lái)了一定的經(jīng)濟(jì)損失。2）無(wú)功沖擊較為嚴(yán)重，已造成35KV母線電壓波動(dòng)、壓降較大。3）大量的諧波和無(wú)功沖擊給供用電系統(tǒng)帶來(lái)了安全隱患。本人多年一直從工廠電氣管理工作，對(duì)諧波治理工作積極參加改造工作，對(duì)諧波產(chǎn)生的原理積極探索。在鎮(zhèn)江供電部門(mén)協(xié)作下，諧波治理取得顯著效果。本文主要從諧波產(chǎn)生的危害，諧波的危害防治手段，提出了一套有效的防治手段，為日后解決諧波產(chǎn)生的危害的防治具有較大參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】諧波干擾；諧波危害；防治手段

1 電力諧波的來(lái)源

1.1 輸配電系統(tǒng)方面

因?yàn)樽儔浩骼锩娴蔫F心具有磁飽和性，而且變壓器的鐵心飽和后是非線性的，由于工作在磁通密度高的環(huán)境，更易產(chǎn)生諧波，所以產(chǎn)生的諧波危害頻率很大。

1.2 多種電器設(shè)備的裝置方面

在電子整流的設(shè)備中，電子整流設(shè)備，諧波晶閘管整流裝置采用的是移相控制，它從電網(wǎng)吸收缺角的正弦波，留給電網(wǎng)的也是缺角的正弦波，顯然留下的這部分缺角正弦波中含有大量的諧波。

2 電力諧波的危害性

2.1 電力諧波對(duì)輸電線路的影響

供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測(cè)保護(hù)，使得在故障情況下保證線路與設(shè)備的安全。但由于電磁式繼電器與感應(yīng)式繼電器對(duì)10% 以下含量高達(dá)40% 時(shí)又導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護(hù)作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。這樣，諧波將嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)。

2.2 電力諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度， 諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷的變壓器而言， 會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。

2.3 電力諧波對(duì)電力電容器的影響

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波，含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，不僅使電容器運(yùn)行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，使電容器在運(yùn)行中發(fā)生局部放電時(shí)電弧不能熄滅，對(duì)絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命，在諧波嚴(yán)重的情況下，還會(huì)引起電容器過(guò)負(fù)荷擊穿甚至爆炸。

2.4 對(duì)通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾

電力線路上流過(guò)的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合時(shí)， 在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓， 干擾通信系統(tǒng)的工作， 影通信線路通話的清晰度， 甚至在極端的情況下， 還會(huì)威脅通信設(shè)備人員的安全。

2.5 對(duì)公用電網(wǎng)的危害

（1）諧波電流使輸電線路、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器產(chǎn)生附加損耗、溫度升高， 導(dǎo)致網(wǎng)損增大， 并使發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器振動(dòng)和噪聲增加。

（2）使異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線發(fā)生嚴(yán)重畸變， 不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，導(dǎo)致用戶(hù)的異步電動(dòng)機(jī)大批損壞。

（3）這些諧波中的較低次諧波諧振會(huì)使換向不穩(wěn)。

（4）若電網(wǎng)諧波較大， 會(huì)延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用， 導(dǎo)致單相重合閘失敗， 或不能采用較短的自動(dòng)重合閘時(shí)間。

（5）諧波電流會(huì)對(duì)通信、繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾， 引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)等。

（6）造成電容器的損壞。電力系統(tǒng)中的諧波對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償電容器有較大影響：增加介質(zhì)損耗， 使電容器溫度升高， 導(dǎo)致電容器熱擊穿；引起或加劇介質(zhì)內(nèi)部的局部放電， 促使電容器損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)因諧波而損壞的的電器設(shè)備中， 電容器占40%。

2008年12月8日，我公司遣派現(xiàn)場(chǎng)工程師，對(duì)35KV∕400V整流變進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如下：

1）35 KV整流變400V進(jìn)線處諧波數(shù)據(jù)：

H5H7H11H13THD備注

諧波電壓（%）4.30.41.40.24.8%

諧波電流（A）4.143.240.963.2428.4%

2）35 KV整流變低壓測(cè)量數(shù)據(jù)：

H5H7H11H13THD

Y繞組諧波電壓（%）4.12.34.61.78.7%

諧波電流（A）40747831635.5%

D繞組諧波電壓（%）4.71.751.69.6%

諧波電流（A）33317832033.3%

3）功率和功率因數(shù)：

有功功率無(wú)功功率視在功率功率因數(shù)

1608 KW3190 KVAr3573 KVA0.45 PF

3 采取的主要措施

主要技術(shù)參數(shù)：總補(bǔ)償容量：1880 KVAr 安裝容量：5100 KVAr

濾波補(bǔ)償支路2條 基波補(bǔ)償量：390 × 2 KVAr

H4-1 濾波補(bǔ)償支路2條 基波補(bǔ)償量： 80 × 2 KVAr

H4-2 濾波補(bǔ)償支路2條 基波補(bǔ)償量： 40 × 2 KVAr

H7 濾波補(bǔ)償支路2條 基波補(bǔ)償量：270 × 2 KVAr

H11 濾波補(bǔ)償支路2條 基波補(bǔ)償量：160 × 2 KVAr 。

4 項(xiàng)目效果

設(shè)備投入運(yùn)行后，經(jīng)測(cè)量達(dá)到了以下效果：

4.1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電壓、諧波電流已達(dá)到了GB/T 14549-93標(biāo)準(zhǔn)要求

電壓總諧波畸變率分別為3.6%和2.5%，已在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，各次電壓諧波均在國(guó)標(biāo)限值范圍內(nèi)。

約值：△S = 1.732×U0×I0-1.732×U1×I1 = 804 KVA

視在功率節(jié)省率：= 24.5%

4.2 變壓器損耗節(jié)省值

4000 KVA變壓器的短路有功損耗查數(shù)據(jù)手冊(cè)取Pk = 50 KVA

短路無(wú)功損耗取Qk=U k*Se

取無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量λ = 0.1，則節(jié)省的有功損耗為：

△PB = （S1/ Se）2 ×（Pk+λQk）-（S2/ Se）2×（Pk+λQk）

其中S1為補(bǔ)償前視在功率，S2為補(bǔ)償后視在功率

計(jì)算得：

△PB =24 KW

4.3 線路損耗

有功功率為P，平均功率因數(shù)為cos？準(zhǔn)1 = 0.50，平均線損率為r

則在裝置投入前線損為：

Ps1 = Pr

投入后，功率因數(shù)提高到cos？準(zhǔn)2 = 0.90，線損下降到Ps2，有功損耗下降值為：

△Ps = Ps1- Ps2

Ps = Pr cos？準(zhǔn)1/ cos？準(zhǔn)2（下轉(zhuǎn)第42頁(yè)）

（上接第71頁(yè)）設(shè)λ1 = tg？準(zhǔn)1，λ2 = tg？準(zhǔn)2

又 Q = Ptg？準(zhǔn)

所以：

Cb = △Ps/△Qc= 2cos2？準(zhǔn)1tg？準(zhǔn)2r

其平均降損當(dāng)量為：

Cb = r cos2？準(zhǔn)1（λ1+λ2）

r一般為2%，則：

△Ps/△Qc = 0.02×0.5×0.5（1.732+0.4843）= 1.11%

補(bǔ)償1920 KVAr，所以線損減少：

1.11% × 1920 = 21KW

4.4 諧波能量也源于基波，故濾除后也能節(jié)省可觀的能量，但難于精確計(jì)算。

4.5 有功總節(jié)約值：

P=24 + 20= 44 KW

按每天24小時(shí)，每月30天，則日節(jié)電量：44*24 = 1056 KWh

電費(fèi)以1元計(jì)，則日節(jié)電費(fèi)：1056 KWh*1 = 1056元

諧波濾除裝置既能滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊螅帜転V除諧波，節(jié)能降耗效果明顯，同時(shí)諧波濾除裝置比無(wú)功補(bǔ)償電容器組安全，適應(yīng)在諧波狀態(tài)下運(yùn)行，不會(huì)與系統(tǒng)在整次諧波下發(fā)生并聯(lián)諧振，嚴(yán)重放大諧波。諧波濾除裝置給各種設(shè)備以潔凈的電力環(huán)境，保證精密設(shè)備安全工作，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

5 結(jié)語(yǔ)

本公司的方法實(shí)踐證明行之有效，通過(guò)諧波治理和節(jié)能技術(shù)在電氣方面的應(yīng)用，大大提高設(shè)備安全運(yùn)行和降低企業(yè)的用電量，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，本人參與的電氣設(shè)備技能改造取得了良好經(jīng)濟(jì)效益，日常管理也得到領(lǐng)導(dǎo)好同事的認(rèn)可。希望管理水平和節(jié)能技術(shù)能

為企業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)更大的力量。

帝高力35kv/400v 配電電氣圖（圖1）：

圖1

公司配電柜圖（圖2）：

圖2

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：丁艷]