諧波的危害及其檢測(cè)、治理方式淺析

李國(guó)棟

【摘 要】電網(wǎng)中電氣設(shè)備的正常工作還會(huì)受到諧波的各種影響，并導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)電氣設(shè)備還會(huì)遭受損壞，同時(shí)，輸電線(xiàn)路和電氣設(shè)備還會(huì)產(chǎn)生附加損耗，導(dǎo)致電力系統(tǒng)輸配電效率大大降低。

【關(guān)鍵詞】諧波；檢測(cè)；治理

1 諧波的危害

諧波作為電網(wǎng)負(fù)載的副產(chǎn)品，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)有較多的不利影響，諧波的危害主要有以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)補(bǔ)償設(shè)備的不利影響

補(bǔ)償電容器與其他設(shè)備之間存在并聯(lián)關(guān)系，在諧波電流的作用下，二者之間往往會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振，產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流，造成熔絲熔斷或者電容器損毀。另外，諧波會(huì)使電容器的功率損耗增大，長(zhǎng)期作用會(huì)大大降低設(shè)備絕緣性能，進(jìn)而危害設(shè)備安全運(yùn)行。

2）對(duì)電纜的影響

由于諧波電壓的存在，必定會(huì)增加電纜的介質(zhì)損耗，這對(duì)電力電纜的絕緣而言是非常不利的因素，會(huì)降低絕緣質(zhì)量，進(jìn)而造成運(yùn)行中單相接地故障明顯增多，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的順利進(jìn)行；另外，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)的直徑比較大時(shí)，集膚效應(yīng)會(huì)比較明顯，諧波電流流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)使諧波頻率下的電阻增大，進(jìn)而使諧波產(chǎn)生的附加損耗增大并引起無(wú)功功率增大，降低了功率因數(shù)，進(jìn)一步增大了損耗，降低了供電效率。

3）對(duì)斷路器的不利影響

由于斷路器的阻斷能力是按照正常的工頻電壓電流設(shè)計(jì)的，當(dāng)諧波較多時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響斷路器磁吹線(xiàn)圈正常工作，大大降低斷路器的阻斷能力，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4）諧波可增大供電系統(tǒng)發(fā)生諧振的幾率

用戶(hù)端母線(xiàn)匯集了大量的諧波源，除此之外還連接有電纜、變壓器、電容器以及電動(dòng)機(jī)等眾多負(fù)載，由于這些設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)時(shí)隨時(shí)發(fā)生變化的，隨之而來(lái)的是有時(shí)可能會(huì)滿(mǎn)足諧振發(fā)生的條件，增加了發(fā)生諧振的幾率，當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，將會(huì)造成電力系統(tǒng)電壓陡增形成過(guò)電壓，使繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作而發(fā)生跳閘，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成擊穿絕緣造成接地事故的發(fā)生。

5）對(duì)變壓器的影響

諧波電壓增大了變壓器的磁滯損耗和渦流損耗，絕緣材料所承受的電氣應(yīng)力變大，銅耗對(duì)變壓器來(lái)說(shuō)是一種比較嚴(yán)重的損害，諧波電流增大了這種損害，對(duì)換流變壓器更為嚴(yán)重，這是由于裝在交流側(cè)的交流濾波器對(duì)諧波起不到抑制作用，諧波電流能夠流過(guò)換流變壓器。

6）使計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差

50赫茲工頻正弦波形，是我國(guó)電能計(jì)量裝置設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，在正常條件下可以正確的計(jì)量，但是由于電力系統(tǒng)有很多的電力設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波，諧波會(huì)干擾電能表的正常工作，這種干擾對(duì)于感應(yīng)式、電子式電能表來(lái)說(shuō)更加明顯。當(dāng)諧波通過(guò)電表時(shí)，真正使電能表有效工作的電能是基波電能與部分諧波電能的差，這就使電能表的記錄出現(xiàn)誤差。除了電能表之外，其它感應(yīng)系電表都會(huì)受此影響。

2 諧波檢測(cè)方法

諧波治理的前提是對(duì)諧波的有效檢測(cè)，即快速性與準(zhǔn)確度，諧波治理效果的好壞與此密切相關(guān)。所以，選擇合理的諧波檢測(cè)方法是有效進(jìn)行諧波治理的首要條件，目前常用的諧波檢測(cè)方法主要有以下幾種：

1）傅里葉變換算法

對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速的傅立葉變換，從中剔除基波分量然后對(duì)其余的分量進(jìn)行反變換，得到的時(shí)域信號(hào)便是諧波電流信號(hào)。

2）FBD檢測(cè)法

這種檢測(cè)方法的特點(diǎn)是把電路中各相負(fù)載視作串聯(lián)的等效電導(dǎo)，而且這些電導(dǎo)消耗了電路中的所有功率，然后根據(jù)這些等效電導(dǎo)與電流的關(guān)系測(cè)算出補(bǔ)償電流的大小，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以把復(fù)雜的系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，便于分析計(jì)算，實(shí)用性強(qiáng)。

3）同步測(cè)定法

具體又分為等電流法、等電阻法和等功率法，即：按一定規(guī)則將補(bǔ)償分量補(bǔ)償?shù)饺嘀腥ィa(bǔ)償后，使每相的電流、電阻或功率相等。該方法的關(guān)鍵在于算出系統(tǒng)的平均功率，并使之平均分配于三相之中。使用該方法補(bǔ)償后，電流與電壓相位一致且都為正弦波，這樣也就使諧波分量基本被消除。另外，該方法的特點(diǎn)是還可以幫助提高功率因數(shù)，進(jìn)而減少了損耗，提高了供電質(zhì)量和效率。

4）瞬時(shí)無(wú)功功率法

根據(jù)三相變換為兩相的理論，首先，對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行變換，使其變成兩相的正交系統(tǒng)， 然后推算出有功功率與無(wú)功功率的瞬時(shí)值。低通濾波后的直流分量經(jīng)變換即可得到兩相的基波電流，然后再進(jìn)行反變換，兩相還原為三相便得到基波電流，最后電流總量中將其減掉，結(jié)果便是諧波電流分量。

3 諧波治理技術(shù)

從預(yù)防及治理的角度來(lái)分，諧波治理技術(shù)主要有兩種，一種側(cè)重預(yù)防，一種側(cè)重治理。

3.1 主動(dòng)諧波治理技術(shù)

主要有利用高功率因數(shù)變流器、使變流裝置增加相數(shù)或脈沖數(shù)、應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)等幾種方式。

1）高功率因數(shù)變流器

由于四象限變流器、矩陣式變換器等設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，比如不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、具有優(yōu)良的輸入電流波形和輸出電壓波形等諸多優(yōu)點(diǎn)，它們進(jìn)行變流時(shí)產(chǎn)生的諧波比較少，利用這些高功率因數(shù)變流設(shè)備可明顯的從源頭減少諧波的產(chǎn)生。

2）使變流裝置增加相數(shù)或脈沖數(shù)

相數(shù)或脈沖數(shù)越多，產(chǎn)生的諧波越少，可以據(jù)此對(duì)變流設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)改造，例如有的換流變壓器之間存在一定的移相角，可以用于增加相數(shù)；增加脈沖數(shù)量的整流技術(shù)（有多脈整流、準(zhǔn)多脈整流）。

3）應(yīng)用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)具有控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)以及降低整流負(fù)載注入電網(wǎng)諧波等優(yōu)點(diǎn)，因而可以大大降低變流設(shè)備產(chǎn)生的諧波量。

3.2 被動(dòng)諧波治理技術(shù)

1）無(wú)源電力濾波器（PPF）

PPF也就是LC濾波器，由諧波電容器和電抗器組成，是一種應(yīng)用廣泛的諧波治理及無(wú)功補(bǔ)償裝置，它與諧波源并聯(lián)運(yùn)行，不僅可以吸收諧波電流， 同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。PPF主要包括單調(diào)諧、雙調(diào)諧及高通濾波器，一般在諧波源周?chē)⒐秒娋W(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧和高通濾波器，用于吸收諧波電流、進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，無(wú)源濾波器成本低、安裝維護(hù)較為方便，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

2）有源電力濾波器（APF）

與PPF相比，APF結(jié)構(gòu)上采用晶體開(kāi)關(guān)管動(dòng)態(tài)的控制諧波補(bǔ)償，這種結(jié)構(gòu)可以使其的濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)即使發(fā)生了變化也不會(huì)影響濾波效果，還可以避免與系統(tǒng)發(fā)生串并聯(lián)諧振，一臺(tái)裝置即可完成多次諧波的治理工作，由于原理的優(yōu)越，可以動(dòng)態(tài)、迅速的響應(yīng)系統(tǒng)諧波頻率及幅度的變化，另外，APF還可以實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償、負(fù)序補(bǔ)償，補(bǔ)償類(lèi)型多樣化。

3）混合型有源電力濾波器（HAPF）

顧名思義，HAPF兼具上述兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn)：既有PPF安裝維護(hù)方便、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，也有APF結(jié)構(gòu)更加先進(jìn)、性能更加優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，更符合工程的實(shí)際，應(yīng)用范圍更廣。尤其是注入式HAPF的注入支路使有源部分的容量顯著減少，這種特點(diǎn)使其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了高壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，此外，HAPF實(shí)現(xiàn)諧波治理的同時(shí)還可以兼顧無(wú)功補(bǔ)償。

4）統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）UPQC包含兩部分，一部分是串聯(lián)型APF，另一部分分是并聯(lián)型APF，UPQC是由這兩部分組合而成的，直流側(cè)電容器被這兩部分共用， 其中，串聯(lián)型APF與串聯(lián)變壓器連接，經(jīng)串聯(lián)變壓器向電網(wǎng)輸出補(bǔ)償電壓同時(shí)注入交流功率；并聯(lián)型APF與并聯(lián)變壓器連接，經(jīng)并聯(lián)變壓器向電網(wǎng)輸出諧波補(bǔ)償諧波電壓，并且，當(dāng)并聯(lián)型APF的變流器處于整流狀態(tài)時(shí)，會(huì)對(duì)蓄電池組進(jìn)行充電，此時(shí)，并聯(lián)型APF還可以向電網(wǎng)輸出無(wú)功功率，進(jìn)行諧波治理的同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]