淺談配電系統中的諧波治理設計

長江航運規劃設計院 付明立

淺談配電系統中的諧波治理設計

長江航運規劃設計院 付明立

隨著社會不斷發展，民用及工業用電設備種類越來越多，電力系統的諧波問題也越來越明顯的影響電網和用電設備的正常運行，在配電系統中，諧波治理對于保證電力系統的穩定、安全運行尤為重要。文章主要介紹了電力諧波類別、危害，諧波電流計算，在配電系統設計中提出了抑制諧波的措施和個人體會。

配電系統；諧波電流；有源濾波；串聯電抗器

1 諧波的定義

交流電網中，存在許多非線性的用電設備，會使電壓波形變為不同程度畸變的非正弦波。采用傅里葉級數分解這些非正弦波，可分解成與工頻相同分量的基波，和基波成整數倍數的就稱為諧波。主要諧波源可參見表1。

表1 主要諧波源

2 諧波的危害

配電系統中一旦諧波超標且未有效抑制，會對整個配電系統中的各個環節產生不利影響，具體可見表2。

表2 諧波危害

3 諧波計算

諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍，目前國際上以傅立葉分解來研究和分析。在工程配電系統設計，我們關注諧波電流。

諧波電流本身的測量、計算比較復雜，在工程設計階段往往難以搜集到足夠的電氣參數數據，一般根據下面的公式對估算：

K1------- 變壓器的負載率，常規設計一般取0.7～0.8；

THDi---- 電流總諧波畸變率，不同建筑的取值可參考表3，電流總諧波畸變率；

ST----- 變壓器額定容量（kVA）；

US----- 變壓器低壓側額定電壓（kV）。

表3 電流總諧波畸變率表

工業20%變頻驅動、直流調速驅動水處理25%變頻器公共建筑25%調光設備、UPS、中央空調

4 諧波抑制在配電系統的設計方案

配電系統設計采取的抑制措施主要考慮從諧波達標水平、效果、經濟性和技術是否成熟等多個角度綜合考慮，下面從抑制諧波干擾、諧波治理兩個大方面介紹常用的措施。

4.1 抑制諧波干擾

為了讓電力設備更好的運行，避免諧波干擾帶來的不穩定，配電系統工程設計中一般是采取通過電氣設備物理空間、諧波源自身參數入手，具體方法如下：

（1）合理配電，非線性負荷靠近電源端；非線性與線性負荷由不同母線段供電。也可將諧波源改由較大容量的電源或高一級電壓的電網直接供電。

（2）配電系統設計時，兩種電容器裝置應遠離：提高功率因數的電容器，使高頻電流流入的電力電容器。或者將具有諧波互補性的設備集中布置，即對裝置的配置或工作方式有一定的要求。

（3）在無功功率補償回路中串聯非調諧諧波電抗器抑制諧波時，為避免產生諧振造成對系統諧波放大，L-C串聯支路的諧波頻率應低于系統中可能產生諧波放大的最低次諧波頻率，或者串聯一定感抗值的電抗器，或限制電容器組的投入容量。

（4）變頻設備應靠近被控設備。不宜將對諧波敏感的信息技術設備布置在諧波干擾源附近。

（5）選用D，Yn11型的三相變壓器供電。

4.2 諧波治理設計

前面談到的是抑制諧波干擾，雖然有一定作用，但都是被動遠離諧波，局限性強，無法治理或減少諧波，下面以主動治理諧波設計的方法闡述：

采用有源濾波器：適用于當公共連接點或系統裝置內部接點處的諧波電壓超標或諧波源的功率因數較高，如大功率整流設備。a.當非線性負荷容量占比配電變壓器容量較大時，自然功率因數較高時，宜在變壓器低壓配電母線側裝設有源電力濾波器。b.當一個區域內有較分散且容量較小的非線性負荷時，宜在末端配電箱母線裝設有源濾波器。c.僅有少量非線性的重要設備，宜分散就近對成套電氣設備配置上裝設有源濾波器。

采用無源濾波器：適用大型穩定的非線性負荷，或自然功率因數較低的單相非線性負荷以及主要為連續的3次的諧波源治理，宜采用并聯，并在諧波處就地裝設。

采用無源諧波器與有源濾波器混裝：適用容量較大、3次以上諧波含量高、頻譜特性復雜、負荷穩定、自然功率因數低的諧波源。

4.3 諧波補償裝置的容量估算

前面談的都是的理論知識，在工程設計中，最終是要落實到具體計算和設備選型上，根據估算的諧波電流值進行設備選型，也可根據公共聯接點或內部聯接點對諧波的要求進行技術經濟合理的選型。

采用無源諧波抑制，可以根據無功容量每千乏折算成電流后按0.2～0.3的系數折算成諧波抑制電流（如果非線性負荷較多，可取0.2）。舉例：300kvar消諧式無功補償電流為432A，按系數0.2折算抑制86.4A的諧波電流。

采用有源濾波裝置，可以根據諧波電流的估算值作為設計選型依據。

設計舉例：某公共建筑的變電所的變壓器型號為SCB11-1000kVA，10/0.4Kv D,Yn11；Uk=6%，負載率K1=0.8，查表3取THDi=20%，根據諧波電流公式：

根據變壓器容量來消諧式無功補償設計，采用30%～40%的變壓器容量的補償量，即先選擇300kvar的消諧式無功補償，電流為433A，按系數0,2折算即抑制86.6A的諧波電流。但消諧式無功補償不能完全抑制諧波，若僅僅選用消諧式無功補償后，系統諧波還達不到治理要求時則需采用有源濾波器，考慮到消諧式無功補償本身抵消的諧波電流，系統還存在的諧波電流：226.5－86.6=139.9A。根據需要再選用容量為100A～150A的三相有源濾波器。

4.4 消諧式補償裝置中串聯電抗器電抗率的選取

在配置消諧式補償裝置時，串聯電抗器選型很重要，它是根據電網條件、電容器參數經過相關計算分析確定，一般來說，基本原則是能夠消除主要數的諧波，同時還要避免其他次數諧波引起的電壓升高而超出電容器能夠承受的范圍。選擇電抗器電抗率的常用方法：

(1)僅限制涌流時，選取在0.1%～1.0%之間的電抗器，根據回路的連接線長短來確定取上限值或下限值。

(2)當電網中的3次諧波含量較多且超標時，選用串聯12%的電抗器。

(3)當電網中的5次諧波含量較多且超標時，選用串聯4.5%～5.0%的電抗器。

(4)當電網中的3次、5次諧波同時存在，含量較多且超標時，選用12%和4.5%～5.0%的電抗器混和使用。采用兩種電抗率的條件是電容器組數較多，其目的是節省投資和相對全部采取12%的電抗器能減少電抗器自身消耗的容性無功。

(5)當電網中3次、5次諧波含量都較小時，可不串聯電抗器。

5 諧波治理設計體會

在同一變電站或單一配電系統中，原則上按上述推薦值或以上治理措施進行配置是沒有問題的。但是，對于稍大或復雜的電網進行諧波控制時，要從技術經濟上優化配置卻是一個復雜的工程，需要根據當地的實際情況，采用計算機模擬計算，才能得到最佳配置。結合筆者參與的項目反饋和與一些專家交流的體會，理論選取治理諧波的裝置參數（包括有源、無源濾波器，電抗器），在工程投產前或運行一段時間的過程中，均應跟蹤諧波測試，通過測試數據來了解諧波運行狀況，從而檢測這些配置參數的效果作出評價，為進一步優化治理諧波提出改進措施，即是一個閉環反饋不斷改進的動態過程。

總的來說，抑制諧波的關鍵是要分清諧波源的種類、估算出諧波電流，同時還要在實際電網運行中實時監測，選擇有效方案。

[1]中國航空工業規劃設計研究院組編．工業與民用配電設計手冊．第三版[M]．北京:中國電力出版社,2005．10

[2]國家建筑標準設計圖集．低壓配電系統諧波抑制及處理11CD403[M]．北京:中國計劃出版社,2011

[3]伍永暢．無功補償及諧波濾波系統選型方案[J]．造紙科學與技術,2010,(05)．

[4]顧凱．電力系統諧波治理[J]．電氣工程與自動化,2011(9)．

付明立（1982—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，現供職于長江航運規劃設計院，主要從事水運工程、建筑工程的供配電設計。