淺談電力系統諧波的影響與治理

馮彬華

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

淺談電力系統諧波的影響與治理

馮彬華

（廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400）

隨著時代的發展，電力電子技術在電力系統、工業生產、生活用電設備的應用日益廣泛，然而這些電力電子裝置極易產生諧波，影響了電力系統的高效運行和電力計量裝置的準確計量。文章對電力系統諧波產生的原因與過程及該諧波對計量裝置的影響進行了論述。

電力系統；諧波治理；電力電子技術；計量裝置；用電設備

1 電力系統諧波簡介

在電力系統中電網中諧波可描述為：利用傅立葉級數對周期性非正弦波電量進行分解，從中分解出與電網正弦基波頻率相同的分量和基波頻率大于1的整數倍諧波分量。研究人員通過對諧波頻率和基波頻率進行比較得出了該諧波的次數和奇、偶性。在實際電網運行中，諧波不一定是整數倍的次數，經常出現非整數倍甚至是分數的諧波；諧波電壓電流的相位關系，受電力系統潮流、諧波源工況、負荷變化而變化。

簡而言之，電力系統諧波就是一種干擾能力，產生于電力設備的運行之中，同時又反作用于電力設備，使電能質量劣化并威脅電網和各種用電設備的安全可靠運行。供電企業要想減少諧波對電力裝置的影響，則需要探究產生諧波的原理與過程，這樣才能找到抑制諧波的方法，從根本上杜絕變頻器諧波的產生，把注入電網的諧波量控制在國標范圍內以保證電力系統的可靠安全運行。

電力系統諧波的產生原因：電力系統諧波一般伴隨著電力設備的運行而產生，電力企業對電力系統諧波的產生原因進行分析在消除諧波給電力系統的影響方面具有舉足輕重的作用。非線性負載的使用是諧波產生的主要源頭。當非線性負載在工頻電壓運行時，負載的工作電流與所加的電壓不成正比，就會產不同于工頻的其他頻率的非正弦電流，從而產生諧波。如高頻爐、電解設備、電弧爐、大型軋機、整流設備等非線性用電設備是產生諧波的主要設備；這些設備在輸送、轉換、吸納系統中發電機所供給的正弦基波能量的同時，又對部分正弦基波分量轉換為高次諧波分量，向電網倒送諧波，使系統的正弦波發生畸變。另外，電力系統中變壓器在正常運行、空載或過勵磁時，所產生勵磁電流都含有奇次諧波成分，由此構成了主要的穩定性諧波源。諧波按種類分為：偶次性諧波和奇次性諧波，每種諧波都有不同的頻率、相角及幅值，其中奇次性諧波比偶次性諧波的危害更大。電力系統產生的諧波不是一成不變的，諧波會隨著電力設備的更新而發生變化，供電企業應及時掌握諧波產生的原因，保證供電網的正常運行。

2 諧波對電力系統的影響

2.1 電力系統諧波對變壓器的影響

由于在電力系統中變壓器和變頻器一般一起進行工作，所以變頻器在運行中由于電流通過而產生的諧波會直接影響到變壓器的正常工作。變壓器是電力系統中的核心元件，當供電網絡正常運行時，如果變壓器因變頻器產生的諧波而降低工作效率甚至停止工作時，將會直接導致供電網癱瘓，給供電企業造成無法挽回的損失。另外，當電流通過電力設備時，每臺電力設備都會產生不同頻率的諧波，這些諧波相互疊加影響，會對變壓器的正常運行造成很大干擾。而且如果變壓器不能穩定運行，不穩定的電流通過變頻器會產生更嚴重的諧波，如此惡性循環，既降低了變壓器的工作效率，又縮短了變壓器的使用壽命，直接影響著供電企業的經濟效益。

2.2 電力系統諧波對電容補償設備的影響

在諧波作用下，對帶有電容補償的諧波阻抗會隨系統的諧波頻率不同而變化，系統可以為容性也可以為感性。當系統諧波頻率達到某一數值時，并且系統感抗遠大于容抗，電容器與系統其他設備產生因大量諧波電流而引起系統并聯諧振或串聯諧振，并使諧波電流放大，同時可能造成危險的諧波過電壓及過電流，這往往使電容器保護熔管熔斷甚至損壞電容器。諧波電流一旦被電容器放大并迭加在電容器基波電流上，流過電容器的電流有效值增大，超出其所能承受限值，導致電容器過熱而燒壞，也會危及電氣回路中其他設備的安全運行。

2.3 電力系統諧波對電力電纜的影響

由于集膚效應，在電力系統的運行中的諧波電流流過電纜時，電流集中在導體的表面，導致電纜實際載流面減少、電阻增加，同時諧波電流還會產生較高頻率的電場，促使電纜絕緣的局部放電加劇。除此之外，電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，這種情況下使電纜的損耗增加、溫升增大而發熱，引起電纜介質不穩定的危險性增大，容易發生事故。

2.4 電力系統諧波的其他影響

諧波是一種電源污染，測量儀器在進行數據測量時使用的是正弦波，當存在諧波時，干擾了正弦波，影響測量儀器測量數據的準確性，并且導致繼電保護和自動化裝置發生誤動作。對通訊系統工作產生干擾，影響通信的清晰度，使電視機、電子計算機、醫療儀器以及其他數字化電子設備的圖形失真、畸變，數據處理系統出現錯誤。高次諧波還會直接對用電設備產生危害，加速設備老化，增加了發、供電設備運行成本、影響電氣線路中的保護元件和繼電保護設備誤動作等。對電源質量要求較高的電子設備，遇到諧波時，將會出現程序運行錯誤、數據丟失，甚至導致永久性損壞。

3 諧波的防治措施

為了減少諧波對系統的影響，提升電能質量，必須采取行之有效的措施。一方面是著眼于諧波源，減少大容量非線性設備的使用；另一方面是在諧波源的外部治理。

第一，增加整流裝置的脈沖數。由于多相整流產生特征諧波的諧波次數n與脈沖數p成正比，而其產生的諧波電流的平方均根值又與n成反比。可見如果要減少由于整流而產生的諧波電流可通過增加整流裝置的脈沖數來實現。

第二，混合采用各種變壓器的接線方式，使5次、7次諧波相互抵消。公用電網在實際運行的基本諧波主要由變壓器引起，它與變壓器繞組的接線方式有關。10kV配電變壓器主要是采用Yyn接線或Dyn接線，而220kV、110kV的變壓器二次側繞組基本采用星形接線，其二次側繞組采用三角形接線，從而使得整個變壓器組的主要諧波電流相互疊加，如果混合采用變壓器的不同接線方式，可以有效地消減電網中的基本諧波。

第三，連接串聯電抗器，在用戶處，對不帶電抗器的電容器，應當接入與電容器串聯的電抗器；已有電抗器時則要加強抗高次諧波的能力，這些都是抑制高次諧波影響的相應措施。

第四，優化系統供電與電力網的接線方式，進行適當的切換。這項措施是結合電力網的具體結構，研究的系統諧波的合理分布方式，鼓勵用電客戶在低谷期多用電、電網負荷高峰期少用電、移峰平谷，并使電力網不致因低谷負荷時電力網電壓過于偏高，致使諧波增大。

第五，加裝LC濾波器，可以就近吸收諧波所產生諧波電流。在工頻工況下，濾波器作為移相電容器供給性的無功功率，同時具有改善功率因數和抑制高次諧波的作用。

4 實例分析

中山市飛馬五金有限公司，利用電弧爐從事金屬冶煉加工。電弧爐在工作時金屬未熔化，電極與金屬碎粒處于斷路狀態，而在熔化期間電極與液化金屬構成兩相電源兩相短路，金屬在熔化過程中，脫離電極，電弧瞬間熄滅，電源又重新處于斷路狀態。這一周而復始過程，引起電壓頻率波動。主要用電設備：#2配變，配變容量均為5000kVA，型號為S11M。諧波電流測試數據如下：

表1

諧波電流測試小結：

10kV側5次諧波電流A相19.84A、C相19.44A均大于12.65A；7次諧波電流A相21.83A、C相22.16A均大于11.49A；9次諧波電流A相12.34A、C相11.15A均大于7.35A；11次諧波電流A相16.72A、C相17.33A均大于9.20A；23次諧波電流A相14.12A、C相13.44A均大于4.87A；25次諧波電流A相12.31A、C相12.06A均大于4.43A，故不滿足國標要求。

檢測結論：中山市飛馬五金有限公司#2配變正常情況下運行，10kV側5次諧波電流、7次諧波電流、9次諧波電流、11次諧波電流、23次諧波電流、25次諧波電流不滿足國標要求。

4.1 治理方案

在用戶進線柜并聯補償高壓無功補償裝置（FC）一套，容量為：4800kVAr按無功量自動投切，三路投切，每路濾波通道容量為1600kVAr。

4.1.1 濾波補償裝置主要由以下設備構成：真空交流接觸器、微型綜合保護儀、濾波用電容器和電抗器組合裝置、工作放電裝置、10kV避雷器、控制裝置、測量保護用電流互感器、戶內磁管式熔斷器。濾波用電容器和電抗器組合構成高通濾波可調電阻諧濾波回路，濾波電容器選用全膜介質，具有質量較高的場強、穩定性，并設有內部電阻放電電阻裝置。濾波電抗器由線圈、鐵芯構成，可作±5%的調幅。當有諧波注入時，在XCn＝XLn狀態下，形成諧波吸收回路。

4.1.2 濾波保護裝置與控制：各個濾波裝置回路均是單y形連接，每個濾波回路設有速斷、過流、電壓保護、零序過電壓保護功能。10kV系統中的各個濾波裝置回路由真空交流接觸器控制，可以根據負荷情況進行自動投入和退出。

4.2 補償前后效果分析

4.2.1 現場檢測數據：CT：600/5A；PT：100V。

圖1

4.2.2 補償前計算：

P＝0.62*120*100＝7440kW

S＝0.70*120*100＝8400kVA

Q＝0.32*120*100＝3840kVAr COSΦ1＝0.89

I＝485A

4.2.3 電容自動補償后效果：

P＝0.62*120*100＝7440kW Q＝3840－2760＝1080kVAr

COSΦ2＝0.989

I＝430A

圖2

4.2.4 效果分析。視在功率下降8400－7517＝960kVA；下降率10.5%；視在電流下降485－430＝55A；下降率11.4%；變壓器及線路損耗下降1－[COSΦ1/ COSΦ2]2：19.2%。高壓電纜因視在電流及諧波電流減小而減少發熱量，同時也保證了功率因數達標。由于系統采用24脈波整流裝置，5、7次諧波相互抵銷，但是由于整流裝置的觸發角度，存在誤差等原因，10kV側仍含有少量諧波，但是滿足國標要求。故此此次設計方案采用電抗率為5%的濾波通道，對5次以上諧波不會產生放大，同時具備10%左右的吸收能力。實施治理后，諧波畸變率測試，如圖2所示。

5 結語

電力在21世紀的重要性已經不言而喻，變頻器的應用使電力系統的運行更加安全高效，但變頻器產生的諧波對電力系統具有不利影響。本文對電力系統諧波產生的原因進行了仔細分析，并分析了諧波對變壓器、電容補償設備、電力電纜的影響及治理措施。電力系統諧波對電力輸送過程存在較大危害，電力企業需投入大量的人力、物力與財力消除電力系統諧波對計量裝置產生的影響，提高電力系統運行的穩定性與安全性，為電力企業的健康發展打下堅實基礎，進而促進我國電力行業更快更穩的發展。

（責任編輯：王 波）

TM73

1009-2374（2017）12-0153-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.079

馮彬華（1979-），男，廣東中山人，廣東電網有限責任公司中山供電局輸配電及用電工程助理工程師，研究方向：電力系統分析。

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