低壓變配電系統諧波監測與治理技術

陳麗斐，楊文榮

（河北工業大學 電氣工程學院，天津 300131）

低壓變配電系統諧波監測與治理技術

陳麗斐，楊文榮

（河北工業大學 電氣工程學院，天津 300131）

隨著社會的發展，各種新型的用電設備得到廣泛的使用，由于設備運行所要求的高安全性和精確性，對電能的使用和需求產生了更高的要求，但非線性負荷大量使用卻帶來了嚴重的電力污染．通過對某公司變配電室的低壓變配電系統進行諧波實際監測，對監測結果做出了較為詳細的描述，詳細分析了諧波對電氣設備危害．然后探討了諧波治理的一般方法，針對該低壓配電系統提出了一種有效的諧波治理措施并檢測出了試運行后的結果，最后通過對比諧波治理前后數據，分析該技術方案優勢．

低壓供電系統；電能質量；諧波；無源濾波器；有源濾波器

0 引言

某公司PC配電室在生產線試產初期，配電室進線處總功率因數不算太低，無功補償沒投入．一次因配電室電壓偏低，在手投入無功補償第1組時，發現電流高達400A，同時限流電抗器產生嘯叫聲，立即退出運行．實際上，該組回路補償容量80 kVar，額定電流90 A．經過電氣主回路以及控制回路的常規檢查，未發現異常．再次對其它回路單組投試，現象依舊．經過對系統、負荷、以及相關資料分析，確認該配電系統存在諧波的可能．

1 該PC變配電室諧波跟蹤監測

該PC低壓變配電室為某公司某一項目配套建設，設置S11-2500/10kV/0.4變壓器2臺，GGD3配電柜50臺，采用電抗-電容型無功補償型式，每段設置無功補償裝置柜3面，額定容量720 kVar．安裝容量6 100 kW，其中4 700 kW（近總容量77%）采用變頻控制．伴隨生產投入用電設備增多，電力負荷加大，為了做好低壓系統的諧波分析，自2015年1月以來，對該PC變配電系統及其他PC室進行多次監測．電力系統及量測位置如圖1（僅以該PC配電室II段為例）．

圖1 電力系統及監測位置Fig.1 Power system andmonitoring location

1.1 測試點a監測結果

采用電能質量分析儀對系統進行量測[1]，結果見圖2．圖2為系統電壓電流瞬時值圖，從圖中可以看出電流畸變很大．圖3a）和圖3b）為測量期間基波電壓、電流圖，圖4a）和圖4b）為系統諧波電壓、電流頻譜圖．

圖2 系統電壓、電流瞬時波形圖Fig.2 System of instantaneousvoltageand currentwaveform figure

1.2 測試數據分析

因為該PC室主要負荷采用變頻器控制，使得系統產生大量諧波，由測試數據可知，設備運行時產生諧波主要為5次諧波，測量期間出現的5次諧波電壓最大值為，電流最大值為．由圖3可計算基波的相電壓有效值為222.53V，基波相電流有效值為2 474.87A，由圖4可得各次諧波有效值．

電壓畸變率為

圖3 基波電壓、電流趨勢圖Fig.3 Basewaveof voltageand current trend chart

圖4 系統諧波三相電壓電流頻譜圖Fig.4 Phasevoltageand currentharmonicsspectrum

2 諧波對低壓變配電所危害分析

在測試該PC配電室低壓系統諧波的同時，對于該公司其他幾個PC室也進行了測量，其中該PC室最為嚴重，這也同其他PC室使用變頻器[3]等諧波源較少相吻合，通過對比其他PC室的狀況，明顯此PC配電室因諧波而存在問題，為供電系統帶來危害．就本供配電室而言，諧波的危害體現在以下幾個方面[4]：

1）補償電容器無法正常投入

單組投入電流達到410A，而額定電流僅為96 A，使得功率因數無法得到補償．

2）低壓配電系統電壓偏低

同比其它配電室，該配電系統電壓低11～17V，當35 kV進線電網電壓較低時，由系統電壓的偏低，存在個別設備停機的可能性．而當因檢修負荷低，而系統電壓又升高很多，危及變頻器等電壓敏感設備．本配電室使用的變頻器損壞幾率明顯高于其他配電室的變頻器．

3）電設備損耗增大

因諧波電流存在，加大變壓器、電機、電纜等設備或線路損耗；變壓器在冬季室溫5℃，變壓器溫升超過40℃，到夏季變壓器溫升還要升高；電機設備溫度、噪音增大．

4）配電室母排等個別點溫度偏高

母排的個別部位溫度到50℃左右（環境溫度10℃），到夏季溫度近70℃．溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命．

5）配電室斷路器降容使用

諧波電流也會引起開關額外損失，并提高溫升使承載基波電流能力降低．

6）諧波對開關和繼電保護的影響

低壓斷路器的固態跳脫裝置，系根據電流峰值來動作，而此種型式的跳脫裝置會因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘．

3 諧波治理的主要技術措施

3.1 國內外諧波治理技術及其原理

抑制諧波污染的有效措施為采用電力濾波裝置就近吸收諧波源產生的諧波電流．其基本結構是利用由電力電容器、電抗器和電阻器組合而成的濾波裝置進行濾波．主要分為無源濾波器和有源濾波器．

無源濾波器對某一頻率的諧波呈低阻抗，從電網阻抗中分流，使大部分該頻率的諧波流入濾波器．無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，因此目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償的主要手段是無源濾波器[5]．

隨著電力電子技術的不斷發展，有源濾波器越來越成為人們研究的重點．與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點[6]．

圖5 低壓配電系統Fig.5 Low voltage systems

3.2 本低壓變配電系統諧波治理方案

由測試數據可知，設備運行時產生諧波電流，且主要表現為5次諧波電流，系統功率因數為0.948．在此情況下，為了提高系統供電質量，降低諧波電流對系統的影響，保證設備正常運行，主要考慮5次諧波電流治理，即采用無源濾波器治理方案[7]．圖5為設置了諧波治理裝置的低壓配電系統．

無源濾波器型號是NCSF231-400-50/250-621/512-080822-PS，NCSF表示生產廠家，耐壓400V，該無源濾波器可耐5次諧波電流高達512A，它由濾波電抗器和電容器組成，以濾除5次諧波為主，同時還可以提供231 kVar的無功功率，可有效保證系統功率因數．

容量補償的確定可以根據負荷的最大功率，補償前的功率因數和補償后需要達到的功率因數用以下公式進行確定：

圖6 系統電壓、電流瞬時波形圖Fig.6 System of voltage,current instantaneouswaveform

圖7 基波電壓趨勢圖Fig.7 Fundamentalvoltage trend graph

4 諧波治理后監測結果

在投入無源濾波器后，對圖一所示的監測點a再次進行測量，圖6為采用無源濾波器后A相得到的相電壓和相電流的瞬時波形圖，如圖可知在加入無源濾波器后，相電流的波形圖有了明顯改善．圖7在某一段時間內截取了投入濾波器前后的基波電壓變化趨勢圖，從圖中可以看出在投入濾波器后基波電壓有了明顯提高．經過對測量的數據進行系統的整理，繪制了系統中諧波電壓電流數據記錄表1和表2，其中 THD為畸變率，P.F.為系統功率因數．

由表1和表2對比可知，濾波器投入后，系統中5次諧波電壓有所下降，系統總諧波電壓畸變率降低至國家規定范圍以內；系統中5次諧波電流由317.09A降低至111.84A，總之，提高了系統供電質量．濾波器投入前，系統功率因數為0.948；投入后，功率因數可達到0.988．同時，也可使變壓器使用裕度提高，增加了變壓器的帶負載能力[8]，增加效益．裝設濾波柜后提高系統端電壓約2.12 V．

表1 系統中濾波器投入前諧波電壓電流數據記錄表Tab.1 System harmonic voltage and currentdata record table befor Filter into use

表2 系統中濾波器投入后諧波電壓電流數據記錄表Tab.2 System harmonic voltage and currentdata record table after Filter into use

5 結束語

近年來，隨著電力電子技術的快速發展，各種電力電子裝置在電力系統應用日益廣泛，使電網中產生了大量的高次諧波，造成了電壓電流波形發生嚴重的畸變．當電網中存在的諧波成分超過了限制標準時，將嚴重影響電力系統和用電設備運行的安全性、可靠性、穩定性和經濟性，同時也嚴重污染了周圍的電氣環境．電力系統中諧波分量的快速、準確檢測對電能質量的治理關鍵；采取性價比高、少投資、性能穩定、安全可靠的諧波治理技術和裝置，在電網的凈化和減少經濟成本等方面意義重大，本文為改善電網質量，穩定電氣設備運行，節能降耗提供實際方案．

[1]楊洪耕，惠錦，侯鵬．電力系統諧波和間諧波檢測方法綜述 [J]．電力系統及其自動化學報，2010，22（2）：65-69．

[2]GB/T 14549-1993，電能質量公用電網諧波 [S]．

[3]羅安．電網諧波治理和無功補償技術及裝備 [M]．北京：中國電力出版社，2006：39-40．

[4]王智忠，李穎峰．中低壓配電網無功補償 [J]．電氣時代，2010（5）：62-63．

[5]LiD，Chen Q，Jia Z，etal．A high-power active filtering system w ith fundamentalmagnetic flux compensation[J]．IEEE Transactionson Power Delivery，2006，21（2）：823-830．

[6]George JWakileh．電力系統諧波-基本原理、分析方法和濾波器設計 [M]．徐政，譯．北京：機械工業出版社，2003：58-62．

[7]翁利民．電力電子技術與諧波抑制，無功補償技術研究綜述 [J]．電力電容器，2004（3）：6-10．

[8]Liu Zhongdong，Himmel J，Bonfig KW．Improved processing of harmonics and inter harmonics by time-domain averaging[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2005，20（4）：2370-2380．

[責任編輯 代俊秋]

Low-voltage power distribution system harmonicmonitoring and control technology

CHEN Lifei，YANGWenrong

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300131,China)

With thedevelopmentof society,a variety ofnew electricalequipmentisw idely used,due to thehigh security and accuracy of the equipment required to run,ahigherdemand hasgenerated aboutusing and demanding forelectricity, buttheextensiveuseofnon-linear loadshasbroughtseriouspowerpollution.Through harmonic actuallymonitora power distribution system ofa company's low-voltage powerdistribution room,madeamore detailed description ofmonitoring resultsand gived a detailed analysisofharmonicson electricalequipmenthazards.Then discussed thegeneralmethod of harmonic control,proposed an effectiveharmonic controlmeasuresagainstthe low-voltagedistribution system and detected the resultsof the testafter then,compared theharmonic databeforeand afterand analyzed the advantagesof the technology program.

voltage power supply system;powerquality;harmonic;passive power filter;active power filter

TN713

A

1007-2373(2016)04-0006-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.002

2016-07-18

陳麗斐（1993-），女（漢族），碩士生．

楊文榮（1969-），女（漢族），教授，博士．