電力網(wǎng)絡(luò)諧波問題探究

周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

電力網(wǎng)絡(luò)諧波問題探究

Harmonic problem explored of electric power networ

周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

針對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中存在的諧波污染問題，從以下四個(gè)方面做出闡述：諧波研究現(xiàn)狀、電力網(wǎng)絡(luò)諧波源、諧波危害、諧波治理措施，并對(duì)不同的諧波治理措施進(jìn)行深入分析，對(duì)其應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析。

電力網(wǎng)絡(luò)；諧波

1 諧波研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)20～30年代的德國，科研人員就提出了電力網(wǎng)絡(luò)諧波的概念,是因?yàn)楫?dāng)時(shí)他們發(fā)現(xiàn)靜止變流器會(huì)導(dǎo)致電壓電流的變化，當(dāng)時(shí)非常有代表性的著作是《The Mercury Arc Current Conv erter》， 其 作 者 是 RissikH.；另 外 一 篇 是《The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》，其作者是Read J.C.，迄今仍然被許多科研人員參考引用。20世紀(jì)50～60年代推進(jìn)了諧波問題的探討，很多有關(guān)諧波內(nèi)容的文章在這段時(shí)間發(fā)表。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的電力電子裝置應(yīng)用于各企事業(yè)單位和日常生活中，諧波問題愈顯突出，諧波問題的治理和抑制的研究越來越被世界各地的科研人員所重視。

中國是從20世紀(jì)80年代才開始研究諧波問題，經(jīng)過多年的努力，已接近于國際水平。在20世紀(jì)80年代，《電力系統(tǒng)諧波》一書出版，它由吳競昌等人創(chuàng)作，這在我國很有影響力。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549—93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，標(biāo)準(zhǔn)給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值；GB17625.1《低壓電氣電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值》規(guī)定電氣（電子）設(shè)備送出的諧波電流限值[1]。

2 電力網(wǎng)絡(luò)主要諧波源

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電、輸電、變電等各個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波。

在發(fā)電環(huán)節(jié)中,我們對(duì)發(fā)電機(jī)的接線做一些改進(jìn)，使發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓基本上不含諧波分量，下列非線性負(fù)載是主要的諧波源[3]。

（1）變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、工業(yè)電爐等。

（2）在生產(chǎn)中應(yīng)用的電力電子裝置，電源、晶閘管設(shè)備等。其中，晶閘管設(shè)備包括：整流器、逆變器、靜止無功補(bǔ)償裝置、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備。交流變直流的整流器用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流穩(wěn)壓電源、充電器、高壓直流輸電等[1]。

各行業(yè)諧波含量分布趨勢圖如表1所示。

表1 各行業(yè)諧波含量分布趨勢圖

以上這些非線性負(fù)載的特點(diǎn)是加到負(fù)載上的電壓是正弦交變的,但流過的電流卻是非正弦量，這個(gè)電流是由工頻電流和諧波電流兩部分組成，如果諧波含量太高,就會(huì)使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。

在低壓電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波一般分為兩大類：穩(wěn)定的諧波和變化的諧波，它們通常由非線性負(fù)載產(chǎn)生。①穩(wěn)定的諧波:通常由視頻設(shè)備和常用儀表等產(chǎn)生的諧波，這類諧波稱為穩(wěn)定的諧波，它的大小不隨著時(shí)間的變化而變化；②變化的諧波:一些現(xiàn)代電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波，其大小隨著時(shí)間的變化而變化，這類諧波稱為變化的諧波。目前,我們供電線路上的主要諧波源是比較先進(jìn)又應(yīng)用廣泛的現(xiàn)代電力電子設(shè)備，并且來自于這些設(shè)備的諧波振幅比較大 。

3 電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害

3.1 增大了有功功率損耗

增大了發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的有功功率損耗，導(dǎo)致這些設(shè)備過熱， 降低設(shè)備的輸出功率， 也就降低了它們的效率。

（1）導(dǎo)體的等值阻抗隨頻率的增加而增加，所以當(dāng)電網(wǎng)所供電源中存在高次諧波分量時(shí)，電機(jī)的有功功率損耗會(huì)增加。

（2）增加變壓器的損耗。

電網(wǎng)中存在諧波的情況下，變壓器做△連接時(shí)，諧波會(huì)在變壓器線圈中形成環(huán)流，導(dǎo)致其有功功率損耗顯著增加；變壓器做Y連接 ，當(dāng)發(fā)生諧振的時(shí)候，負(fù)載等效于一高阻抗，此情況下變壓器的鐵損和銅損也增加。

（3）增大輸電線路的損耗

因?yàn)殡S著頻率的增大導(dǎo)線阻抗會(huì)增大，所以對(duì)于輸電線路來說，諧波電流的存在導(dǎo)致線路的有功損耗變大。在配電網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)生損耗最大的是電機(jī)、變壓器和供電線路，因此，諧波的存在大大增加輸電線路的有功損耗。我們知道，在電路中存在電感和電容時(shí),某一頻率下,它們會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振,而在線路等值電路中存在著分布電感和對(duì)地電容，它們?cè)谥C波源作用下,發(fā)生諧振的可能性增大。在架空線路中，架空線路對(duì)地電容約為電纜線路對(duì)地電容的1/20～1/10，這樣在電纜線路中，很容易出現(xiàn)諧波諧振和諧波電流的放大，并因此造成電氣設(shè)備的絕緣擊穿。

3.2 引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備，在動(dòng)作值的設(shè)計(jì)上是以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)來設(shè)計(jì)的，因此，諧波對(duì)它們的影響特別嚴(yán)重，這是因?yàn)闉榱吮ＷC設(shè)備的靈敏度，設(shè)計(jì)時(shí)的整定值較小，這時(shí)再疊加上一個(gè)諧波分量，勢必引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作。

3.3 造成計(jì)量儀器計(jì)量誤差增大

當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)中含有諧波分量時(shí)，感應(yīng)式電度表就不能正常工作，因?yàn)殡姸缺硎前垂ゎl電流設(shè)計(jì)的，所以對(duì)諧波源用戶來說，他們會(huì)少交電費(fèi)，因?yàn)殡姳碛?jì)量的是用戶消耗的基波電能與諧波電能的差；對(duì)無諧波源用戶來說，電表計(jì)量的是該用戶正常消耗的電能再加上諧波部分，所以電力網(wǎng)絡(luò)中有諧波時(shí)，非線性負(fù)載用戶少交電費(fèi)，線性負(fù)載用戶多交電費(fèi)。

3.4 影響通信線路的正常工作

輸電線路上流過的3次、5次、7次、11次等有效值較高的奇數(shù)次低頻諧波電流時(shí)，通過電磁感應(yīng)，干擾電壓就會(huì)在靠近輸電線路的通信線路中產(chǎn)生 ，造成通信線路不能正常工作，通話的清晰度也大受影響。

3.5 干擾用電設(shè)備的正常工作

諧波會(huì)導(dǎo)致變形的圖像出現(xiàn)在電視機(jī)屏幕上、計(jì)算機(jī)圖像畸變，改變屏幕亮度 ，還可以使電視、電腦過熱，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出錯(cuò)。對(duì)于熒光燈及汞燈來說，由于它們的線路中帶有鎮(zhèn)流器和啟輝器，因此有可能形成諧振，諧振電流會(huì)將元器件燒壞。晶閘管變速設(shè)備而言，諧波電流會(huì)造成誤動(dòng)作[3]。

4 電力網(wǎng)絡(luò)諧波治理措施

電力網(wǎng)絡(luò)諧波治理措施主要有三種[4]：

（1）受端治理：就是增強(qiáng)無諧波源用戶的抗干擾能力。

（2）主動(dòng)治理：就是抑制諧波源，使其盡量不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波。

（3）被動(dòng)治理：就是在用戶側(cè)安裝濾波器，將諧波電流拒之門外。

4.1 受端治理措施

（1）在配電網(wǎng)絡(luò)中，使用較大短路容量的變壓器，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變壓器短路容量大于諧波源的變壓器的容量20倍時(shí)，諧波源造成的諧波對(duì)電力網(wǎng)的安全運(yùn)行就不會(huì)產(chǎn)生威脅，由此產(chǎn)生的諧波電壓和諧波電流也不會(huì)超過規(guī)定值。

（2）避免諧波被電容器放大。避免諧波電流被電容器放大的措施有：①選擇合適的電容器的安裝地點(diǎn)，可有效避免電容器與電源感抗之間并聯(lián)諧振的發(fā)生，因?yàn)樗x地點(diǎn)與電源間的阻抗不同，由此引發(fā)諧振的諧振頻率也會(huì)不一樣。②調(diào)整與電容器相串聯(lián)的電抗器，改變系統(tǒng)阻抗。③降低電容器容量，以降低對(duì)諧波電流的影響；④某些電容器組改為濾波器。

（3）變壓器的諧波抑制措施。①對(duì)于其中一側(cè)作三角形連接的變壓器來說，不會(huì)出現(xiàn)三次及三的倍數(shù)次諧波。②空載變壓器要及時(shí)停運(yùn)，選用帶負(fù)荷調(diào)壓器，盡量避免變壓器過勵(lì)磁。

（4）采用先進(jìn)的抗諧波裝置，提高用電設(shè)備抗諧波干擾能力，使設(shè)備在一定諧波環(huán)境下也能正常工作。

4.2 主動(dòng)諧波治理的措施

（1）根據(jù)公式： h=kp±l(k=l，2，3)，h為整流裝置產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)， p為脈動(dòng)次數(shù)，當(dāng)脈動(dòng)次數(shù)增加時(shí)，諧波電流次數(shù)也增大，這樣就可以消除一些次數(shù)較低，幅值較大的諧波[6]。

（2）適當(dāng)分散或交替使用具有諧波互補(bǔ)性的裝置，適當(dāng)限制能產(chǎn)生大量諧波的工作方式。

（3）聯(lián)合起來使用幾個(gè)變流器，疊加幾個(gè)變流器輸出的方波，這樣就可以將頻率較低的諧波消除，使輸出的波形接近于正弦波。

（4）疊加注入諧波。利用諧波源產(chǎn)生三次倍數(shù)的諧波，將該三次倍數(shù)的諧波電流與矩形波相疊加，可以抵消某些諧波。

4.3 被動(dòng)治理諧波的措施

（1）采用LC濾波器。這種濾波設(shè)備是由電容、電感和電阻按照一定配置而成的。它結(jié)構(gòu)簡單，用戶投入較少，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，目前仍然是應(yīng)用最廣泛的濾波方法。

（2）采用有源濾波器。有源濾波器補(bǔ)償諧波并且實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤，而且能夠補(bǔ)償無功功率。在今天，電子技術(shù)迅猛發(fā)展，有源濾波技術(shù)也隨之迅速發(fā)展，在生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)論

本文概述了電網(wǎng)諧波污染的來源，諧波對(duì)電力用戶的危害，針對(duì)具體的諧波來源提出對(duì)應(yīng)的抑制措施，并深入分析了各種治理措施的應(yīng)用場合及優(yōu)缺點(diǎn)。

[1] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M]．中國電力出版社，2006.04.

[2] 韓曉東,朱勤.電力諧波的危害與治理[J].云南電力技術(shù)，2005,(2).

[3] 謝東力.鄭州礦區(qū)電力系統(tǒng)分析諧波與治理[J],中州煤炭，2007,(6)

[4] 李家坤,李生明.電力系統(tǒng)諧波抑制研究[J],長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008,(4).

[5] 李海鵬.電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生及危害芻議[J],中國與科技博覽，2008,(23).

[6] 馬亮. 直接空冷凝汽器中變頻器諧波抑制,科技資訊，2010.

[7] 林健欽，杜永宏.電力系統(tǒng)諧波危害及防治對(duì)策[J],電網(wǎng)與清潔能源，2009,(2).

(R-03)

高科技賦予樹脂制造金屬風(fēng)格的高檔感

據(jù)悉，玉川電器(總部：橫濱市)塑料事業(yè)部在“產(chǎn)品制造伙伴論壇2016”上展出了在軟質(zhì)樹脂(NBR、丁腈橡膠)上蒸鍍金屬并彎曲或凹陷變形的部件，該部件雖為樹脂制造，但卻營造出了金屬風(fēng)格的高檔感。相關(guān)技術(shù)已在化妝品包裝上得到應(yīng)用。制造時(shí)先在NBR成型品上做前處理和特殊打底涂裝，然后實(shí)施蒸鍍工序，并用涂料做外部裝飾。

另外，玉川電器還展出了用硬質(zhì)樹脂在電氣產(chǎn)品的按鈕及把手上表現(xiàn)車紋的樣品。制造時(shí)先在樹脂部件表面形成高度為0.05 mm左右的同心圓狀(車紋)凹凸圖案，然后經(jīng)過底漆、金屬蒸鍍及面漆工序來完成。原來存在涂膜太厚，車紋被封住的可能性，而此次通過開發(fā)減薄涂膜的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了與金屬同等的表現(xiàn)水平。

此外，玉川電器還介紹了通過使用薄膜及布料做嵌入成型來制造柔軟質(zhì)感的樹脂部件的技術(shù)。只是單純對(duì)薄膜等做嵌入成型，形成聚集的褶皺，很多時(shí)候也無法獲得良好效果。因此，該公司開發(fā)出了以薄膜等作襯里用樹脂一次性成型，實(shí)施嵌入成型的技術(shù)。

除上述產(chǎn)品外，玉川電器還展出了燃料電池車用高電壓連接器。為了實(shí)現(xiàn)防水功能，以輪廓度0.1 mm的幾何公差實(shí)施量產(chǎn)。

摘編自“中國塑料機(jī)械網(wǎng)”

TM727

1009-797X(2016)24-0064-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.018

周欒愛（1973-），女，碩士，維修電工技師，講師，青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向電力系統(tǒng)及自動(dòng)化，從事教學(xué)工作十余年。

2016-11-25