低壓配電系統諧波抑制及治理設計方法

茅 靖 方健美

（1. 國網寧波慈溪供電公司，浙江 慈溪 315000；2. 浙江東禾工程設計有限公司，浙江 寧波 315040）

低壓配電系統諧波抑制及治理設計方法

茅 靖1方健美2

（1. 國網寧波慈溪供電公司，浙江 慈溪 315000；2. 浙江東禾工程設計有限公司，浙江 寧波 315040）

隨著電力系統的迅速發展，電能質量問題越來越引起廣泛關注。由于各種非線性負荷應用普及，產生的諧波對電網的污染日益加重，因此諧波治理已成為國內外廣泛關注的課題。本文主要闡述了諧波污染及其危害，諧波治理及其抑制的方法，并對產生諧波源的電氣設備做了具體的分析。

電能質量；諧波危害；諧波抑制治理；設計方法；容量計算

一個理想的電力系統應該具備一個恒定的頻率和恒定的正弦波形，并按照特定的電壓標準向電網及電力用戶提供相對比較理想的電源。電能質量一般由電源的頻率、電源的幅值和電源的波形畸變來體現。

發電廠調節并控制電力系統的振幅和頻率，非線性負荷引起波形畸變。對于電阻，電阻加熱絲，磁感應，白熾燈等這些傳統線性負荷，其電流波形為正常的正弦波。而對于家用視聽設備、電氣設備、焊接設備、通信設備、充電電氣設備、不間斷電源等這些非線性負荷，其電流波形為非正常的正弦波。由于電網及電力用戶中存在著這些非線性負荷，導致了大量諧波的產生，而大量諧波的產生不僅危害著電能質量，而且危害著電力用戶。諧波的存在使得電網電壓降低，線路損耗增加，造成電網容量的浪費；諧波的存在使得設備的穩定性降低，導致各類自動及保護裝置誤動作；諧波的存在使得電動機效率降低，增大了電動機的工作噪聲；諧波的存在使得電力變壓器的鐵損及銅損增加，影響著電力變壓器的使用效率，縮短了電力變壓器的使用壽命；因此諧波的治理刻不容緩。

1 諧波的表示方法

諧波失真研究的一種有效方法為傅里葉分解，可以通過傅里葉分解的方法分析各組成部分的畸變波形，即

式中，A0為直流分量； A1s in(h ω0t +?1)為基波分量；Ahsin(h ω0t+?h)為第h次諧波分量。

諧波畸變的度量采用總諧波畸變表示，分為電

壓畸變率和電流畸變率。

（Uh為第h次電壓諧波有效值）

（Ih為第h次電流諧波有效值）

單次諧波畸變采用單次諧波含有率表示：

單次電壓含有率為

單次電流含有率為

2 產生諧波的電氣設備

產生諧波的電氣設備、電子設備在當今社會應用相當廣泛，例如：中頻電爐、超聲波裝置、家用視聽設備等，這些電氣設備具有明顯的非線性特性，工作時都會產生大量的諧波電流和諧波電壓，若此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點的諧波電流允許值和公用電網諧波電壓限值，則將會危害電力用戶和電網。

1）空調機電氣設備。空調機電氣設備功率較大，每臺功率 500W到數千瓦不等，根據相關的試驗結果表明：空調機諧波電流的大小隨著工作狀態的變化而變化，制熱狀態下THDI%在22%～34%區間；制冷狀態下在 20%～27%區間；只開風扇未制熱制冷狀態下在6%～9%區間，在此工作狀態下以2～17次諧波為主。可見，無論是制熱還是制冷工作狀態下，THDI都不是很小，甚至有可能還比較大。

2）電池充電器等電氣設備。用于各種對充電電池充電的裝置均可稱之為電池充電器，此類電氣設備的諧波含有率取決于電池的數量和容量。隨著全球氣候變暖、資源枯竭以及在國家節能減排的優惠政策的驅動下，屬于新能源行列的電動汽車在未來將會被廣泛的應用，因此未來其可能成為主要的產生諧波電流、諧波電壓的家用電器之一。充電器的連接與單相共整流電路相同，通過對電流的分解即可獲得高次、奇次、以及各次諧波電流。作為電源系統的負荷之一，變壓器的勵磁電流也應考慮在內。對于充電器，在負荷電流中的勵磁電流的比例是遠遠大于電力變壓器，因此充電器等電氣設備的諧波危害亦不容忽視。

3）計算機等電氣設備。一般計算機電氣設備諧波電流和諧波電壓及用電負荷的非線性用電主要來自顯示器CRT。家用計算機和商場計算機的應用普及以及計算機電氣設備的諧波含有率相對比較高，這將引起電視機的諧波電流和計算機的諧波電流相位重合的可能性大大增加，從而導致計算機等電氣設備的諧波效應會迅速增加，因此計算機等電氣設備的諧波危害顯而易見。

4）穩壓泵、消防水泵、消防電梯、不間斷電源、生活水泵等電氣設備主要諧波含量為5、7、9次諧波，以5次諧波比重較大。

5）電視機。電視機群是電網及電力用戶諧波影響最大的家用電器之一。同一相電壓向多臺電視機供電具有相同的諧波相位，當同時使用率相對較高時，則造成配電網諧波也相應的增加，尤其是9次諧波、7次諧波、5次諧波和3次諧波最為嚴重。

6）熒光燈。不同的熒光燈諧波電流含有率存在較大差異，因為不同的熒光燈采用的整流器也不同，而諧波電流的產生很大一部分都由熒光燈整流器產生。在以往普通的長管熒光燈為主要的照明燈具，但現在照明燈具越來越多樣性，越來越多的采用緊湊型燈具，在各種各樣的燈具滿足了人們需求的同時，也造成了諧波污染的多樣性。其中電子鎮流器脈沖型各奇次含有率亦高達 15%～18%，特別是 3次諧波居然高達70%～80%，3次諧波含有率較高的繞線式鎮流器，一般可達8%～10%。諧波次數越高，含有率則越低；高頻時各次諧波含有率相對比較低，一般可達3%～15%左右。

3 諧波對電力系統的危害

諧波對電力系統的危害是比較嚴重的，主要體現在以下方面。

1）部分供電線路的損耗由諧波引起。集膚效應和鄰近效應使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的損失和浪費；諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導體絕緣，同時高頻諧波可能造成集膚效應降低電纜的載流能力。

2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波電流的存在導致電力變壓器產生附加的損耗，從而引起過載、過熱，加速了絕緣介質的老化，導致絕緣損壞。正序和負序諧波電流在旋轉電動機定子中分別形成正向和反向旋轉磁場，導致電動機效率降低，發熱增加。而正序和負序諧波電流在同步電動機的轉子中分別形成正向和反向旋轉磁場，造成局部發熱，縮短其使用壽命。

3）諧波電流會使電子電氣設備出現較大的誤差，甚至引起電子電氣設備的失靈。諧波電流及諧波電壓影響通信及通信設備一般通過磁感應、電容耦合、電感應及電氣傳導等方式，磁感應、電氣傳導、電感應及電容耦合等方式對低頻信號影響更大。例如，變流器等電氣設備在換相時注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率，甚至可以達到 1MHz，這些諧波頻率將會影響通信設備、通信線路的正常工作，從而導致通信系統處于癱瘓的狀態。

4）對諧波頻率比較敏感的電力電容器，因其自身的容性阻抗特性，以及頻率與容抗成反比的特性，使得諧波電流容易被電力電容器吸收從而引起電容器發熱過載。此外，基波電壓與諧波電壓疊加時使電壓波形增多了起伏，傾向于增多每個周期中局部放電的次數，相應地增加了每個周期中局部放電次數的功率，使電力電容器產生發熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。

4 諧波限值

針對目前電網受諧波影響，國家也是規定了一些相關規范，電力諧波時刻危害著電力用戶和電網，因此，國內和國際已公布相應的規范標準及其制定了相應的措施從而到達限制電力諧波的目的，防止其對電力用戶和電網的危害。例如：限制公共電網諧波的GB/T 14549—1993、IEEE 519—1992、公用電網間諧波 GB/T 24337—2009、IEC 61000-3-4、IEC 61000-3-2、GB/Z 17625.6—2003、GB/Z 17625.1—2003等相應的規范標準。所有規范標準都基于以下目標：

1）對其他系統不產生干擾，使其在正常的狀態下工作。

2）根據用戶需求的電壓波形向用戶供電，使其滿足用戶的需要。

3）根據系統及其所接設備能夠允許的水平，將電力系統電流和電壓波形的畸變控制在一定的范圍內。

注入公共連接點的諧波電流允許值和公用電網諧波電壓限值見表1、表2。

表1 公用電網諧波電壓限值（GB/T 14549—1993）

表2 注入公共鏈接點的諧波電流允許值（GB/T 14549—1993）

5 治理諧波的措施

當諧波電壓超過連接點處的限值，諧波源的自然功率因數較高（如核磁共振機、變頻調速器等電氣設備），非線性負荷的諧波電流較大，諧波波頻較寬（如大功率電氣設備）時，諧波按下列原則進行治理：

1）采用專用配電回路或專用變壓器供電。

2）當非線性負荷容量占配電變壓器容量的比例較大，設備的自然功率因數較高時，應在變壓器低壓配電母線側集中裝設有源電力濾波器。

3）當配電變壓器僅為少數重要的非線性設備提供電源時，宜采取就地裝設有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設備對每臺產生諧波源的電氣設備進行抑制及治理。

選擇合理的供電和配電系統應按照以下原則進行配置：①將線性負荷與非線性負荷的供電電源有效的進行隔離；②盡可能的將非線性負荷設置在電源端；③由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電。

1）對于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設備（醫療建筑中的核磁共振機、CT機、X光機加速器治療機、整流裝置、變頻、大型計算機系統等諧波源）應采用專路供電。

2）合理配置諧波源，同一段母線上宜接具備互補功能的諧波源設備，從而達到互相抵消諧波的目的。

3）將單相負荷、兩相負荷等不對稱負荷分散接到不同的供電點上或均勻合理的分配到各相，從而改善三相不平衡度，達到抑制和治理諧波的目的。三相不平衡引起電壓不平衡，而不平衡的電壓將導致半導體變流設備產生附加的諧波電流（非特征諧波），由此可見，三相平衡具有一定的抑制諧波的作用。Dyn11型結線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性，在進行電力變壓器選擇時，Dyn11可作為首選。

對容量較大，頻譜特性復雜，自然功率因數較低，負荷比較穩定，3、5、7次諧波含量高的諧波源，抑制此類諧波源可采用有源與無源電力濾波器共同來完成。無源電力濾波器是由濾波電容器、電阻器和電抗器適當組合而成，其包括3種基本形式：并聯濾波、串聯濾波和低通濾波。并聯濾波同諧波源并聯，不但具有濾波作用，而且還有無功補償的作用；串聯濾波主要適用于3次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，只能補償固定頻率的諧波，且易與系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使無源電力濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進行跟蹤補償，其補償特性不受電網阻抗和運行狀態的影響，無諧波放大的危險。

電力系統的諧波干擾包括系統外部諧波干擾和系統內部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統外部，應盡可能的避免串聯諧振的發生；以5次和7次為主的諧波干擾，應避免串聯諧振發生；諧波干擾屬于電力系統內部的，應以抑制和濾除為主。

為抑制及治理諧波源在工程設計中經常采用無功功率補償電力電容器組串聯電力電抗器的方案，電力系統中可能產生諧波放大的最低次諧波的頻率高于L-C串聯支路的諧振頻率，可有效避免系統諧波放大效應。

依據《并聯電容器裝置設計規范》相關規定，串聯電力電抗器的電抗率選擇應根據電容參數與電網參數經相關計算分析來綜合考慮確定，串聯電力電抗器的電抗率取值范圍應滿足下列要求：用于限制諧波時，電抗率應根據并聯電力電容器電氣設備接入電網處的背景諧波含量的測量值進行選擇。當諧波為3次及以上時，電抗率取值應在12.0%左右，亦可采取 4.5%～5.0%與 12.0%兩種電抗率混裝方式；當諧波為5次及以上時，電抗率取值應在4.5%～5.0%區間；僅用于抑制涌流時，電抗率取值應在0.1%～1.0%區間。

諧波隔離抑制裝置應裝設在用電設備前。配電線路上的變頻設備，應靠近被控設備安裝。將敏感信息技術電氣設備置于干擾源附近（如不間斷電源、家用視聽設備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等）不合適。

6 諧波抑制及治理的容量設計

6.1 諧波電流的估算

諧波電流本身的計算與測量相對比較復雜，數據的收集亦相對比較困難，對于諧波電流的近似估計可采用下列公式：

式中，K1為配電變壓器的負荷率，常規設計時一般取0.7～0.8；THDi為電流總諧波畸變率，THDi取值如下（表3）；SR為變壓器額定容量（kVA）；US為為變壓器低壓測額定電壓（kV）。

6.2 諧波補償裝置的容量估算和選型

可根據估算的諧波電流值進行設備選型，亦可根據公共聯接點（PPC）或內部聯接點（IPC）對諧波的要求進行技術經濟合理的選型。

表3 電流總諧波畸變率表

1）采用無源濾波電氣裝置時，可按每千乏（kvar）無功容量折算成電流后按 0.2～0.3的系數來計算諧波抑制電流（當非線性負荷較多時，則取0.25）。例如，200kvar的無功容量其消諧式無功補償電流大約為 288A，此時按系數 0.25折算，即可抑制72A的諧波電流。

2）可依據諧波電流估算值的大小來進行設計選型有源濾波電氣裝置。

3）計算舉例如下：當選擇配電變壓器容量為1600kVA，電流總諧波畸變率取值為 25%，配電變壓器的負荷率取值為 0.8，配電變壓器變比為10/0.4kV時，根據上述公式可得出諧波電流值為448A。消諧式無功補償容量根據配電變壓器容量進行計算，當消諧式無功補償裝置取 500kvar時，其補償電流為720A，抑制的諧波電流按系數0.3折算即216A。然而消諧式無功補償只能在一定的范圍內抑制部分諧波，需要達到系統允許的諧波標準要求，單單選用消諧式無功補償是不夠的，想要達到系統標準則需要三相有源濾波器的配合。考慮到部分諧波電流已經被消諧式無功補償濾除了，根據計算232A為系統還未被濾除的諧波電流。根據需要選用的三相有源濾波器容量為200～300A即可抑制諧波。

4）無源濾波器結構簡單，成本低，但濾波性能不佳，而有源濾波器正好相反。因此可采用無源與有源濾波器配合共同完成諧波的治理。采用并聯有源濾波器和并聯無源濾波器此種模式可以有效的進行諧波治理，其中無源濾波器可以包括多組單調諧濾波器及高通濾波器，也可以只包括高通濾波器（此時，無源濾波器補償吸收比較固定的無功功率和頻率較高的諧波成分，而有源濾波器補償較快的沖擊性無功功率和頻率較低的諧波成分）。在這種模式下，有源濾波器仍起著諧波補償的作用，無源濾波器濾除大部分諧波，因此有源濾波器容量很小。

7 結論

綜上所述，人們的生活因電子電力設備的使用而變的更加便利高效，然而大量電子電力設備的使用也為諧波的危害埋下了伏筆。總之，諧波的治理是一個漫長求索的過程，只有各個方面都嚴格按照國內和國際公布的相應規范標準執行，才能有效減少諧波帶來的危害。特別是在設計階段就應采取有效的設計方法，配置合理的補償容量和補償設備，積極主動地進行諧波治理，才能既減少電能損耗，又能保證電氣設備安全穩定運行。

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Discussion on Harmonic Suppression and Control Design Method of Low Voltage Distribution System

Mao Jing1Fang Jianmei2
(1. State Grid Ningbo Cixi Power Supply Company, Cixi, Zhejiang 315000;2. Zhejiang Donghe Engineering Design Co., Ltd, Ningbo, Zhejiang 315040)

With the rapid development of power system, power quality problems caused by more and more attention. Due to the popularity of a variety of nonlinear load, the pollution of harmonics is increasing, so the harmonic governance has become a widespread concern at home and abroad. This paper mainly expounds the harmonic pollution and its harm, methods of harmonic suppression and suppression, and the electrical equipment of the generated harmonic source to do a specific analysis.

power quality; harmonic harm; harmonic suppression; design method; capacity calculation

茅 靖（1963-），男，浙江慈溪人，本科，工程師，主要從事高低壓配電運行管理工作。