諧波治理對電網安全經濟運行的作用

張琰美

摘要：隨著電弧爐、中頻爐等非線性用電設備接進電網，將其產生的諧波電流注進電網，使公用電網的電壓波形發生畸變，造成電能質量下降，同時威脅與電網相連的各種電氣設備的安全經濟運行。本文旨在從諧波的產生、諧波帶來的危害、諧波治理方法、諧波治理帶來的成效來闡述諧波治理的重要性，讓企業由被動接受到主動進行諧波治理改造。

關鍵詞：諧波危害;治理方法;成效分析

一、諧波的產生

諧波是由于大量電力電子設備非線性負載的投入運行，導致供電電壓電流波形發生畸變，通過對畸變的電壓、電流波形數據進行傅里葉分解，分解出的頻率高于50HZ基波頻率的分量成為諧波。為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：

（1）電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。

（2）交流整流的直流用電設備：如電解、電鍍等。

（3）交流整流再逆變用電設備：如變頻調速等。

（4）開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。如：某企業的中頻爐通過35kV整流變進行供電生產，由于整流電源的采用的是二極管整流技術，若電源變壓器單個繞組側采用的是六脈動整流技術，則產生的諧波主要以 5， 7， 11，13 次諧波為主。

二、諧波帶來的危害

（1）增加電力設施負荷，降低系統功率因數，降低發電設備的有效容量和效率，造成電能損失;

（2）引起無功補償電容器諧振和諧波電流放大，導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行;

（3）產生脈動轉矩致使電動機振動，影響產品質量和電機壽命;

（4）由于渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱，浪費電能并加速絕緣老化;

（5）諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強了絕緣介質的電場強度，降低設備使用壽命;

（6）零序（3的倍數次）諧波電流會導致三相四線系統的中線過載，并在三角形接法的變壓器繞組內產生環流，使繞組電流超過額定值，嚴重時甚至引發事故。

（7）諧波變改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分斷容量;

三、諧波治理的方法

諧波治理就是通過各種措施減少諧波的產生或者使產生的諧波流入濾波設備，或者抵消產生的諧波等手段，使電網上的諧波含量符合國家標準的要求。諧波治理措施主要有兩種：增加無源濾波設備或有源濾波設備。

（1）無源濾波器，又稱LC濾波器，主要有無源元件R、L和C組成。是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，可對主要次諧波（3、5、7）構成低阻抗旁路;單調諧濾波器、雙調諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。具有結構簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優點，至今仍是被廣泛應用諧波治理方法。

（2）有源電力濾波器，是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的新型電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，并將模擬電流信號轉換為數字信號，送入高速數字信號處理器（DSP）對信號進行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調制（PWM）信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。

當前我縣結晶硅行業和鋼鐵行業單臺變壓器容量一般為5000kVA至25000Kva，因此諧波治理主要采用無源濾波設備。

四、諧波治理帶來的成效

下面簡單介紹我縣某鋼鐵廠安裝進行諧波治理后帶來的成效：

1、企業基本情況：

配電系統采用 35KV 進線，主接線方式為單母線分段。共有五臺中頻爐，分別由五臺整流變ZS-6300KVA/35進行供電，Ⅰ段進線下連接三臺整流變， Ⅱ段進線下連接兩臺整流變， 每臺整流變負荷最大為 7000KVA 左右。

2、諧波治理方案：

縣供電公司力率考核值為0.90，通過計算、修正及仿真， 本方案設計在整流變補償繞組35kV側各加裝一套濾波補償裝置，設計單套濾波裝置基波補償容量為6000kvar（能滿足用戶平均功率因數在 0.95 以上），裝置共分為 5，7，11 次（高通）3 個濾波通道3條濾支路。本方案設計系統總安裝容量為 12000kvar，此方案總投資約100萬元。

3、諧波治理帶來的成效：

設該鋼鐵公司 5臺整流變有功27MW，每天正常工作10 小時，一年工作 300 天，最大負荷全年耗電時間為 3000 小時（τ），平均功率按 27MW 計算，假設每度電費為0.58 元。線路電能損耗與傳輸電能比為0.03以δ表示，則補償后的全年節電量：

△WL=SL×cosφ1×δ×τ×{1-[cosφ1/cosφ2]2}

≈446225（kw·h）

（2）補償后變壓器全年節電量：

△WT=△Pd*（S1/S2）2×τ×[1-（cosφ1/cosφ2）2] ?≈162028（kw·h）

式中Pd 為變壓器短路損耗， 約為 250KW

（3）補償投入后的全年總的節電效果：

Y=（△WL+△WT）*0.58≈35.28 萬元

（4）力率電費的節約：

根據用戶地區的電費計價方式，用戶全年應交納的功率因數調整電費約為：因無功補償裝置投入后，系統功率因數達到了功率因數考核點 0.95 以上，故不會再產生功率因數罰款電費，反而還會有部分電費獎勵。

力率獎勵電費=有功電費*力率=有功功率*全年工作小時*電費單價*力率=27000*3000*0.58*（0.75%+2.5%） ≈152.685 萬元

（5）合計全年節約電費：

35.28+152.685≈187.965 萬元

該企業投資約100萬元進行諧波治理，約半年即可回收成本，不僅提高了電網的電能質量，確保了清潔合格的電能供應，實現雙贏。

結語：

電力工作者應大力開展諧波治理工作，除了對新受理用戶新建、增容或改造業務進行嚴格把關，并要求提供有資質單位出具的電能質量評估報告方可竣工驗收送電外，還要向電力客戶普及電能質量知識，宣傳諧波治理所帶來的供用雙贏效益，得到用戶的認可和配合，讓企業由被動接受到主動進行諧波治理改造，確實充當電能“凈化器”。