淺析供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的危害及防范策略

張生龍

摘 要：對供電企業(yè)常規(guī)生產(chǎn)而言，由于電網(wǎng)輸配電系統(tǒng)中的設備鐵芯磁化曲線的非線性或非線性負荷以及電網(wǎng)中各種電氣設備中的電子技術應用，會產(chǎn)生不同程度的諧波，一些諧波頻率將一定程度上干擾生產(chǎn)設備，繼而對生產(chǎn)運行構(gòu)成影響。為此，本文分析了諧波產(chǎn)生的原因及危害，對此采取防范措施，規(guī)避諧波的干擾，保障供電系統(tǒng)的正常安全運行。

關鍵詞：供電系統(tǒng)；諧波；危害；防護

中圖分類號：TD611 文獻標識碼：A

供電系統(tǒng)運行中，由于有許多電子設備應用于生產(chǎn)控制過程中及其他諧波源的存在，將會產(chǎn)生諧波。諧波頻率超過一定的標準，將會干擾設備，進而擾亂設備正常運轉(zhuǎn)。諧波不利于設備正常功能的發(fā)揮，使得設備絕緣老化速度變快，進而釀成安全事故。為將諧波干擾抑制在有效范圍，需要分析諧波形成的原因與危害，考慮到供電系統(tǒng)實際運行狀況，采取相應的防護手段，將諧波產(chǎn)生的危害降至較低，維持電力系統(tǒng)運行的安全。

一、供電系統(tǒng)中諧波形成緣由

諧波即電流中包含的頻率，其電量是基波的整數(shù)倍，通常以傅里葉級數(shù)對周期性的非正弦電量實施分解，在其他方面，導致基波頻率的電流形成電量。供電系統(tǒng)從實質(zhì)上看，出現(xiàn)諧波多為非線性負載。也即電流在通過負載過程中，添加的電壓未表現(xiàn)出正常的線性關系，生成了非正弦電流，使得供電系統(tǒng)中生成許多諧波。因為供電系統(tǒng)中的極管與半導體晶閘管表現(xiàn)出鮮明的非線性特征，此外，供電系統(tǒng)中的部分電力設備生成比較大的背離正弦曲線波。主要在于供電系統(tǒng)中諧波電流的生成和功率轉(zhuǎn)換器具有十分緊密的脈沖數(shù)關系。可這樣認為，功率變換器在供電系統(tǒng)中具有不斷增多的脈沖數(shù)，最低次諧波分量的頻率呈現(xiàn)不斷增高的趨勢。另外，供電系統(tǒng)中的其他耗能裝置也會形成諧波。如，熒光燈的電子控制調(diào)節(jié)器形成的諧波是比較大的。可見，只要有諧波源的地方就會形成諧波，諧波分量也有可能通過供電網(wǎng)絡傳輸?shù)接脩艟W(wǎng)絡。例如供電網(wǎng)絡中的一個用戶設備產(chǎn)生的諧波可能會干擾到另一個用戶設備的運行。從中可以看到，供電系統(tǒng)中諧波具有多方的形成因素，阻礙了供電系統(tǒng)的正常運行。為此，供電部門需要結(jié)合諧波形成因素，運用有效的應對措施，將諧波對供電系統(tǒng)造成的危害降至最低，為供電系統(tǒng)的安全運行創(chuàng)造良好的條件。

二、供電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的危害

諧波產(chǎn)生的危害是多方面的，導致電力系統(tǒng)電壓產(chǎn)生畸變；擾亂通信線路；導致電力設備產(chǎn)熱，從而造成附加損耗，效率不高；處在特殊參數(shù)系統(tǒng)中，形成諧振；在保護監(jiān)測裝置與繼電保護裝置方面，使得它們的可靠性與精度變低，嚴重時釀成系統(tǒng)事故；針對相同頻率的諧波電壓與電流，彼此間產(chǎn)生作用，進而生成了諧波功率。考慮到這種情況，要求我們高度重視諧波造成的危害。

1.干擾通信線路

如果通信線路接近輸電線路，線路間的靜電感應與電磁感應于周圍生成磁場，磁場彼此耦合一起，在通信系統(tǒng)內(nèi)部，諧波的分量出現(xiàn)了聲頻干擾，使得信號強度越來越弱，導致傳輸質(zhì)量變低，嚴重時對信號傳輸與通話構(gòu)成影響，甚至還會對人身和設備的安全構(gòu)成較大影響。

2.干擾電力變壓器、電容、繼電保護裝置

首先針對電力變壓器，諧波電流的形成使得損耗增多，出現(xiàn)震動和噪音等情況；如果勵磁電流中出現(xiàn)諧波電流，電流在合閘涌流中的數(shù)值變大，對變壓器的安全運行是不利的；諧波電壓的出現(xiàn)，將產(chǎn)生磁滯與渦流損耗，此外，電壓三相數(shù)值較高或不對稱，諧波分量變多，繼而使得局部放電與介質(zhì)放電變大。其次，對電力電容器的影響。配電系統(tǒng)中的非線性負荷所占比例較大時，在使用并聯(lián)電容器過程中，因為存有諧波電壓與電流，使得設備產(chǎn)生較大的熱量，繼而損壞了設備，縮短了設備使用壽命。為此，諧波電壓與電流諧波超過標準，均會出現(xiàn)異常情況。再有，對繼電保護裝置的危害。繼電保護裝置在正常運行狀態(tài)中，諧波電壓與電流變大時，使得過電壓與過電流的保護裝置產(chǎn)生錯誤動作，甚至干擾負序濾過器的保護裝置。隨著電力行業(yè)的發(fā)展，信息技術的應用越來越普遍，其中微機保護裝置已成為供電系統(tǒng)中重要的一部分，該裝置的應用，很大程度上提升了繼電保護的智能性和安全性，但是在諧波的影響下，也是比較容易出現(xiàn)測量誤差的，繼而使得裝置出現(xiàn)拒動與誤動。

3.干擾電機運行

在我們露天煤礦的生產(chǎn)中，很多設備的操作是離不開電機驅(qū)動的，當諧波電流通過電機過程中，電機頻率不斷變大，磁滯與渦流也在逐漸增大，使得鐵芯與繞組中的附加損耗變得越來越大，致使設備機械震動變強與電機噪聲變大。電機負荷在供電系統(tǒng)中為全部負荷的4/5，為此，諧波產(chǎn)生了較大的額外損耗。通過實踐能夠看出，如果電動機的負序電壓為額定電壓的3%時，使得其壽命縮短一半。

4.干擾電力用戶

諧波在危害電力用戶方面是雙向的，一方面，系統(tǒng)會產(chǎn)生污染，對系統(tǒng)本身的安全構(gòu)成影響，另一方面，當用電設備與所污染的電源連接在一起，一定程度上影響系統(tǒng)的安全性。諧波的形成，致使晶閘管與控制回路產(chǎn)生錯誤動作；在電容器與帶有感性負載的相互作用下，產(chǎn)生諧振，對電容器構(gòu)成損害；改變了電視機與計算機的圖形形狀，同時使得數(shù)據(jù)處理操作系統(tǒng)出現(xiàn)不正確操作。

5.增加輸電線路的損耗

輸電線路的損耗會因為諧波的影響而增大，三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流也會受諧波影響而增大，進而出現(xiàn)中性線過載的情況。當產(chǎn)生諧波的設備與輸電線路中的對地電容等組成串聯(lián)或并聯(lián)回路時，在特定的情況下，會出現(xiàn)串聯(lián)或并聯(lián)諧振，諧振發(fā)生時所產(chǎn)生的過電流和過電壓對輸電線路中的設備危害是很大的。

三、供電系統(tǒng)中諧波的防護策略

1.報裝把關與驗收檢測

我國電力法做出明確規(guī)定：“用戶用電不得對用電秩序與安全構(gòu)成危害。”《供電營業(yè)規(guī)則》規(guī)定：“對注入電網(wǎng)的諧波電流過程，當正弦波畸變超出標準，要求用戶采取措施規(guī)避。”對供電部門而言，在用戶用電報裝過程中，需要對用電性質(zhì)與設備進行充分了解；在供電方案確定過程中，一定要對諧波設備做出認真核對，構(gòu)建設備臺賬，一些用戶具有很大的諧波設備容量，需要具備諧波危害評估報告；在設計圖紙審查過程中，需要對系統(tǒng)設計做出全面考慮，確保使用的設備諧波不超過允許標準。諧波評估報告對諧波提出治理要求的，設計方案需要將此考慮在內(nèi)，并實施監(jiān)測，諧波治理通過測試，符合要求后才能進行供電。

2.增裝動態(tài)無功補償裝置

在無功補償裝置電路中將一個低通濾波器（由電容器與串聯(lián)電抗器構(gòu)成）設置在無功補償裝置電路中，當處在最低諧波條件下實施調(diào)解，導致整體系統(tǒng)出現(xiàn)協(xié)調(diào)。為將諧波對供電系統(tǒng)造成的影響減至最低，比較徹底的方法是，以減少諧波電流的形式使諧波影響得以減少。在諧波危害防治上，可將傳統(tǒng)的濾波方法應用其中，或者將無功補償裝置應用其中，實現(xiàn)補償，進而將諧波電流減少，并對功率因數(shù)進行補償完善。

3.減少諧波的技術

發(fā)電部門需要將發(fā)電機工藝水準提升到一個較高層面，確保鐵心具有良好的均勻性，從根本上減少諧波的出現(xiàn)，此外，還要檢測輸送的電流，不要將電廠諧波送至供電部門。在供電部門看來，是一定會產(chǎn)生諧波的，包括發(fā)電部門與用電部門的諧波，此外，自身形成的諧波也是一方面，需要借助一定的技術手段，強化檢測，及時進行把控，為確保三相負載平衡，采取一些措施，如，加大供電設備的容量，將電網(wǎng)抗諧波能力提升到一個較高水平。另外，定期組織開展諧波測試工作，仔細分析諧波超標的變電站或線路，找到諧波源，安裝有關設施，將諧波減至基最少。如：①使用L，R，C元件組成的諧振回路，避免相近頻率的諧波進入到電網(wǎng)中，將無源濾波器添加到電力電子設備的交流端點；②把靜止無功補償裝置以并聯(lián)的方式安裝在諧波源處，可減少三相電壓的不平衡，使功能因數(shù)得到改變等，使供電系統(tǒng)獲得較高的諧波承受能力；③使用能夠控制功率的半導體器件把既有諧波電流相位相反、幅值相等的電流注入電網(wǎng)中，讓電源的總諧波電流接近于零，實現(xiàn)諧波電流的及時補充；④改裝電容器組的一些支路，變成濾波器，獲得使用限定電容器組投入容量的形式，防止電容器將諧波放大。

4.降低諧波含量

供電部門需要采取有效手段，將諧波含量減至最低，可使諧波電流對供電系統(tǒng)產(chǎn)生的危害減至較少，起到諧波電流抑制的作用，這種治理方式比較有效，可提升電網(wǎng)質(zhì)量，節(jié)省供電系統(tǒng)運行成本，減少費用的開支。首先，供電部門以增加整流器脈動數(shù)的形式，以此平滑波形，可將諧波減至最少。其次，供電部門將脈寬調(diào)制方法應用其中，運用PWM，在所需頻率周期范圍不變的條件下，合理調(diào)整直流電壓，生成的交流輸出電壓脈沖為等幅不等寬，進而起到諧波抑制的作用，把諧波對供電系統(tǒng)造成的危害減至最低。最后，供電部門有效運用三相整流變壓器，以△/Y或Y/△的接線形式進而實現(xiàn)諧波的控制，防止諧波危害供電系統(tǒng)。綜上，供電部門使用以上手段，將諧波含量降至較低，從根本上規(guī)避諧波，以此對諧波進行有效治理，維持供電系統(tǒng)的正常運行。

5.強化諧波管理，踐行相關國家標準

《諧波電流發(fā)射限值》（GB17625）將小型電器設備按諧波電流限值分為了四類，該項標準給出的規(guī)定，還有試驗電路與對測量設備的要求等。供電部門和用電戶要嚴格執(zhí)行相關規(guī)范標準，在輸送電和用電環(huán)節(jié)中強化諧波管理，把諧波對電網(wǎng)的影響控制到最小。

四、電網(wǎng)諧波治理的措施

1.強化企業(yè)內(nèi)部的管理

①針對電網(wǎng)造成的危害，進行全面了解，構(gòu)建完善的諧波治理體系。

②強化對諧波治理工作，并進行常態(tài)化管理，在常規(guī)生產(chǎn)管理中納入諧波管理，以制定《客戶端諧波管理辦法》的形式，確保諧波管理具有明確的管理機構(gòu)與標準等，在制度層面上對諧波強化監(jiān)督與管理。

③在客戶間構(gòu)建良好的關系，維持高質(zhì)量的服務。在諧波治理過程中，用電客戶是不可或缺的一部分，奠定了諧波治理的基石，將諧波的危害普及給大眾，征得用戶的配合。

④嚴格按照標準，定期測試電網(wǎng)的諧波含量，監(jiān)測用電設備中注入的諧波電流，針對已超過國家標準的設備，做出一定的經(jīng)濟處罰，強化設備監(jiān)管，依照相關政策處置超標用戶。

⑤系統(tǒng)分析管轄的電網(wǎng)，確保測量無誤，明確諧波產(chǎn)生原因及所處位置，為諧波治理的進行提供詳盡的原始材料；針對一些諧波較大處，設立長期觀測站，穩(wěn)定可靠地收集數(shù)據(jù)，并采取針對性的措施進行規(guī)避。

⑥針對一些用戶超出規(guī)定允許值的情況，進行專線供電，將諧波保護與監(jiān)測裝置設置其中，針對已經(jīng)和公用線路供電對接的，在一年時間內(nèi)，需要用戶進行完善。

⑦監(jiān)測站定期檢測現(xiàn)有諧波，不斷構(gòu)建完善的技術檔案，隔兩年進行一次全面核查，及時處置存在的問題。

⑧如果用戶諧波在規(guī)定值以上，線路開關跳閘，供電部門諧波專門負責人以書面的形式告知用戶在規(guī)定的期限內(nèi)進行治理。

⑨新裝入的諧波保護裝置需要包含兩種啟動軟件，一種是電流啟動軟件，另一種是電壓啟動軟件，依照規(guī)定標準，整定保護定值。于供電部門變電站出口處設置保護裝置。

⑩強化用電檢查力度，對存在的電能質(zhì)量污染源，用戶補立檔案，當?shù)刂卫碇C波源。

2.強化增容諧波源用戶的管理

報裝接電的設計審核時，增容的諧波源用戶一定不可缺少諧波審查項目，針對諧波超標的情況，使用相應的防治措施。對增容的諧波源用戶，其使用的供電電壓要具有合理性，盡量維持三相電壓的平衡。工程交接驗收試驗時，增容的諧波源用戶一定不可缺少監(jiān)測站的諧波測試報告。當檢測結(jié)果超出標準，是不能夠和供電網(wǎng)絡連接運行的。

3.強化電容器組的管理

①在電容器組設置過程中，要求設計部門以連接點的電網(wǎng)參數(shù)為依據(jù)，對諧波諧振與放大的可能性進行核算，根據(jù)需要，對諧波阻抗與背景諧波電壓進行測量，同時進行認真核算。針對一些電力設備的容量比較大的情況，尤其電容器組的容量較大時，可將限流裝置設置在回路內(nèi)，防止電力諧波的生成。

②運用電容器實施就地補償，統(tǒng)一補償與分散補償。

③在用戶統(tǒng)一安裝大型補償過程中，驗收電容器組時，實際測量的諧波電壓放大率要在1.5倍之內(nèi)。不然，使用限制措施，然后再投入使用。

結(jié)語

電子技術應用下，設備運行效率得到顯著提升，然而也帶來了一些負面影響，電子設備運行中形成諧波，不僅是頻率不同，對設備構(gòu)成的危害也有所區(qū)別。諧波危害在供電系統(tǒng)中普遍存在，給社會帶來了各種危害，不利于設備的穩(wěn)定運行。諧波是無法避免的，只有采取相應的防護措施，才能將諧波干擾減至較低。上文分析了供電系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生諧波的原因及各種危害，考慮到供電系統(tǒng)實際運行狀況，采取防護措施，盡量減少諧波危害，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

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