淺析影響電能質量的原因及治理措施

張 輝 錢 怡

（1.國網河南省電力公司技能培訓中心，河南 南陽473009；2.河南南陽供電公司，河南 南陽473000）

0 引言

電能質量不合格主要是指導致電力用戶設備故障或不能正常運行的電壓、電流幅值或頻率偏差，它是電力系統運行狀態的具體表現。電能質量是現代電力系統不可或缺的考核指標，其關系到電網能否安全運行，是用戶正常用電的重要保證。

1 影響電能質量的因素

1.1 諧波分量

1.1.1 諧波分量產生的原因

影響電能質量的主要因素是系統的諧波電流。諧波電流主要為終端用戶負荷引起，大部分情況下，用電設備的非線性是諧波電流產生的主要原因。比如電弧爐，負載周期為2～8h，0.5～1h為熔化階段，此階段的特點是在電極和固態原料之間形成極不穩定的電弧，它呈現不規則波動，三相電流不平衡而且數值較大，具有沖擊性，一般包含的諧波為2、3、4、5等連續性低次諧波。

電力系統中諧波源主要分為3種類型：（1）系統中的用電設備。包括電弧爐、電石爐等非線性負荷，系統中的調壓裝置，可控硅整流裝置和變頻裝置等，這類負荷工作時都會產生大量諧波。（2）輸變電設備。輸變電設備主要指電力變壓器，大容量變壓器一般工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，當變壓器鐵芯接近飽和時，磁化曲線的非線性會使磁化電流呈尖頂波形，從而產生大量諧波。（3）分布式發電設備。風電、光伏等新能源發電設備均通過電力電子設備進行并網，將產生諧波，造成污染。

1.1.2 諧波分量的危害

諧波分量的危害是多方面的，主要表現在以下幾個方面：（1）諧波分量使電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，使系統的損耗增加。（2）諧波會引起電網中局部的并聯諧振或串聯諧振，發生諧振時，諧波分量瞬間放大數倍乃至數十倍。同時大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱，甚至發生火災，嚴重影響電網的運行安全。（3）諧波分量影響著系統中各種電氣設備的正常工作，例如使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞；諧波還會使電機產生機械振動、噪聲和過電壓，不但會造成電機局部嚴重過熱，而且會增加電機的附加損耗。（4）諧波不但會導致系統中的繼電保護和自動裝置誤動作，而且還會使二次測量儀表計量不準確。（5）諧波分量會對附近的通信系統產生信號干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，重則導致通信數據丟失，系統無法正常工作。（6）諧波會造成設備材料溫度升高，溫度升高又會導致額外的損耗。試驗證明，溫度每升高1℃，電機損耗增加4%。（7）諧波直接影響電容器安全穩定運行，為防止并聯電容器補償裝置的諧振回路與系統發生并聯諧振，在采用并聯電容器進行補償時，應進行校核計算。

1.1.3 諧波分量的治理

對諧波的治理要從用戶和電力公司兩方面考慮，對用戶來說其責任是控制注入電網的諧波電流。根據《供電監管辦法、電力系統諧波監督管理條例》，接入新建非線性用戶必須進行電能質量評估并提出配套的諧波和負序治理方案，堅持國家電能質量標準，按“誰污染、誰治理”的原則，對所制定的方案做到與工程同時設計、同時施工、同時投運。對電力公司來說其責任是在用戶注入電網的諧波電流合格的前提下，控制線路的阻抗水平。

1.2 間諧波

間諧波是指對周期性交流分量進行傅立葉級數分解，得到頻率不等于基波頻率整數倍的分量。間諧波電壓含有率：頻率＜100Hz的占0.16%～0.2%，頻率在100～800Hz之間的占0.4%～0.5%。其也嚴重影響著電能質量。

1.2.1 間諧波產生的原因

間諧波的來源主要有以下3個方面：（1）變流裝置：由于負荷三相不對稱或觸發角誤差，變流裝置會在運行過程中產生非特征諧波頻譜。（2）交流電弧爐：典型的間諧波發生源，頻譜屬于連續頻譜。實際上，一般的沖擊性負荷均產生間諧波。（3）通斷控制的電氣設備：對工作電壓需要進行通斷控制或調整的設備，在工作中均會產生間諧波，例如電烤箱、熔爐、電焊機、通斷控制的調壓器等。

1.2.2 間諧波的危害

（1）產生閃變，導致屏閃爍。（2）引起通訊干擾、過零點檢測誤差，影響脈沖接收器正常工作。（3）引起感應線圈噪聲，導致電動機附加力矩。

1.3 電壓不平衡

電壓不平衡主要是指三相電壓在幅值上可能大小不等，或者相位差不是標準的120°，或兩種情況都有。不平衡情況用電壓、電流負序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比來表示，這個百分比也稱為不平衡度，一般規定系統中公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2%，短時間不得超過4%。

1.3.1 三相電壓不平衡產生的原因

（1）事故引發的不平衡：包括單相接地故障、斷線故障、母線電壓互感器熔絲熔斷等。（2）正常性的三相電壓不平衡：主要是指單相大容量以及沖擊性、非線性負荷（如電弧爐、工頻感應爐、電力機車、單相電焊機）的應用。

1.3.2 三相電壓不平衡的危害

（1）三相四線制接線方式下，發生三相電壓不平衡將增大線路的損耗。（2）三相不平衡會使變壓器處于不對稱運行狀態，增加變壓器損耗，甚至使其燒毀。（3）三相電壓不平衡會誘導電動機中逆扭矩增加，從而使電動機溫度上升，效率下降，能耗增加，發生振動。

1.4 電壓閃變或波動

燈具光通量不穩定，造成的視感稱為閃變。閃變不僅與電壓波動的大小有關，而且與波動的頻率、波形、照明燈具的性能以及人的視感甚至人腦對燈光光通量變化的記憶效應等因素有關。而電壓波動是指電壓方均根值（有效值）一系列的變動或連續的改變。產生電壓閃變和波動的主要原因是電弧爐、軋機等大功率且快速波動性負荷的應用。其危害是電壓波動會影響工業生產、居民生活，而閃變會引發視覺疲勞、偏頭痛，甚至導致錯覺等。

1.5 電壓暫降或下跌

電壓暫降或下跌是指對用戶供電的電壓有效值在短時間內突然下降，然后又回升恢復的現象，在電網中這種現象的持續時間大多為0.5～1.5s。引起電壓暫降或下跌的主要原因一般是電網、變電設施故障或負荷突然出現大的變化。在某些情況下，電壓會出現2次或更多的連續跌落或中斷。據統計，電壓暫降和短時間中斷造成的無序停電和恢復損失已經成為影響工業發達國家電能質量的第一問題。

2 治理措施

2.1 加強電能質量監測

網絡化、標準化、信息化和智能化已成為電能質量監測的主要發展趨勢，必須加快電能質量監測終端數據規約和通信協議的統一，建設電能質量監測網。

2.2 對非線性用戶開展電能質量測試、評估工作

對非線性用戶開展電能質量測試、評估工作，通過對新建污染源電能質量問題的掌控，為實驗室相關研究工作的開展提供重要的實踐基礎。

2.3 積極開展電能質量治理工作

電能質量的治理方法主要是濾波及無功補償，包括采用無源濾波器和有源濾波器。

無源濾波器是通過提供諧波的低阻抗支路進行濾波，其存在的問題是：（1）一種參數只能針對特定次數諧波進行補償，并且在一定條件下會與某次諧波產生諧振而使諧波放大，引起其他事故；（2）響應速度慢，無法跟蹤動態諧波，進行動態補償；（3）只能補償固定的無功；（4）當系統阻抗比較小時，其補償效果很難滿足要求；（5）在改變系統阻抗時，可能會導致系統發生諧振；（6）電容參數容易改變，穩定性差，可能導致失諧。

有源濾波器：發出相位相反的諧波，通過抵消實現濾波，這是將來無功補償的方向。

3 結語

總之，加強電能質量管理相當重要，原則上是誰污染，誰治理。另外，要加強非線性用戶的入網審查及已投運用戶的動態監測，建立非線性用戶臺賬，定期開展諧波普查及評估工作。