低壓配電系統諧波的產生及治理

鄭立祥

（福建遠恩智能技術有限公司，福建 福州 350000）

1 低壓配電系統諧波的產生原因

人們生活中所使用的電器設備、大功率的焊接設備、通信設備以及信息設備等非線性負荷的電流波形為非標準正弦波。大多數成熟配電網和電力用戶中都存在非線性負荷，也由此而產生了大量的諧波，嚴重影響了電網的電能質量。諧波的存在會使低壓配電系統和電網電壓發生偏差現象，導致配電系統線路損耗增加。很多非線性電氣設備是從電網中取用非正弦電流，即使電源供給正弦波形電壓，但由于設備具有其電流不隨著電壓變化的非線性電壓和電流特征，使得流過電網的電流是非正弦波形。諧波的產生也會對電力設備的穩定性產生影響，導致低壓配電自動系統和保護設施的誤動。大量諧波進入電網后，電網阻抗產生諧波壓降疊加在電網基波上，由此引發電網的電壓畸變，致使電能質量變差。當注入公用電網的諧波超過一定值時，就會影響電網自身以及用電設備的運行，甚至造成故障，加大電力變壓器的鐵損和銅損，縮短變電系統設備的使用壽命，對整個低壓配電系統帶來極大的損害[1]。

2 低壓配電系統諧波的表現形式

諧波表現研究的有效方法通常是通過傅里葉分解的方法分析各組畸變波形。諧波畸變的度量所采用的總諧波畸變分為電壓畸變率和電流畸變率，通過計算可以看出單次諧波畸變所采用的電磁諧波含有率較高，而單次諧波電流的含有率也表現出較大的有效值[2]。目前能夠產生影響配電系統諧波的電氣設備在人們的生活中普遍存在，如大多數城市的商業中心和酒店等服務性場所中所使用的空調機電氣設備，生產型企業所使用的窯爐、不間斷電源（UPS）、直流電源裝置以及整流變壓器等。這些電氣設備都是具有代表性的非線性電氣設備，在運行過程中電氣設備的運行狀態達到較高程度時會產生大量的諧波電流和諧波電壓。經常會出現諧波電流和諧波電壓超出低壓配電系統連接端的允許值和低壓配電網網間諧波電壓荷載值，對電力系統和電網帶來極大的影響和損耗。

3 諧波對測控關鍵設備的影響分析

3.1 典型的測控設備低壓配電系統

測控設備低壓配電系統一般采用雙回路供電模式，兩臺變壓器同時工作，互為熱備份。正常時母聯閉合，由其中一臺變壓器負責全部負載的供電，當其檢修或故障時自動切換另一臺變壓器進行供電，從而保證測控設備的正常運行。測控設備主要用電負荷包括照明、水冷、通信、信號、綜合監控以及伺服等。其測控設備低壓配電系統簡圖如1所示。

圖1 測控設備低壓配電系統簡圖

3.2 諧波對配電設備的影響

諧波不僅會縮短變壓器和配電線路等設備的使用壽命，而且會導致發生電氣安全事故，還可能導致繼電保護裝置的誤動作或不動作，這對于測控設備來講是絕對不允許的。

3.2.1 對變壓器的影響

對變壓器來講，諧波電流主要是增加其銅損和雜散損耗。測控系統電源設備的變壓器通常采用的是Y_yno型接線，副邊沒有諧波通路，一旦受到諧波影響，變壓器輸出將會產生很大的畸變，大大增加了變壓器的附加損耗，增大了電力設備的運行壓力，直接影響變壓器的使用效率和內部穩定[3]。同時，當高次諧波通過變壓器時，還會引起變壓器發熱，產生很嚴重的噪聲。設備長時間在這種諧波狀態中運行，將會加速老化，降低絕緣性能，縮短壽命，并且還有可能發生一些不可預知的安全事故。

3.2.2 對輸電電纜的影響

對于測控設備電源來講，一般都是電纜傳輸。當諧波電流通過電纜時，將會使電纜的介質損耗增加，泄漏電流上升，無疑增大了局部放電和溫升，從而縮短了電纜的使用壽命，大大增加了引起單相接地故障的隱患。與此同時，由于電纜的分布電容對諧波電流有一定的放大作用，因此在用電負載處于低谷時系統電壓上升，諧波電壓也會跟著相應升高。電纜的額定電壓等級越高，諧波引起介質不穩定的危險系數就越高，更容易發生事故。

3.2.3 對零線的影響

零線也稱為中性線，測控設備的輸電線路一般采用三相四線制。三相線電流的矢量和就是零線的電流，是一種比較小的不平衡電流，通常其數值都不是很大。由于測控設備存在很多的非線性負荷，其必然會產生一定的諧波電流，而諧波電流又以3次諧波最為嚴重，這些諧波電流會在零線上累積，從而增加零線上的電流，破壞系統的平衡，不但增加了系統的損耗，而且還會使零線過載過熱，這對配電系統來講是十分危險的。零線斷路或燒毀時，輕則會導致系統跳閘，嚴重會沖擊整個測控設備，甚至損毀。

3.2.4 諧波對繼電保護的影響

測控設備屬于高度集成的自動化和信息化設備，其內部存在很多電磁式繼電器、整流型繼電器以及微機型整流器等各種自動裝置。一旦測控設備的輸入電源含有諧波分量，就會引起這些繼電器動作特性發生畸變或動作效果下降，從而導致保護裝置的誤動作和拒動作，造成設備的瞬間癱瘓或不聽指揮，無法完成跟蹤測量任務，導致造成嚴重后果。

3.3 諧波對通信傳輸的影響

諧波對通信系統的影響一直是一個被行業十分重視的問題。眾所周知，電流周圍產生磁場，當通信線路與輸電線中的諧波產生了能量上的交換時，會引起電磁干擾，造成通信信號失真，伴隨著很強的噪聲，降低通話的清晰度。目前，在實際工作中，由于各種客觀原因或出于經濟考慮，部分電纜和通信線纜往往并排敷設，這樣配電網中的諧波分量必然會干擾通信信號，嚴重時還會引起信號丟失，大大影響測控設備的跟蹤精度和相關數據傳輸。

4 低壓配電系統諧波的治理策略

4.1 有源電力濾波器

有源濾波器是在供電系統的重要點位根據設備對諧波的抗干擾程度設置的動態有源濾波器，是一種主動式的濾波裝置。近年來，以IGBT技術為代表的有源濾波技術開始大規模應用在配電系統中，其原理為通過數字信號處理和脈寬調制技術，根據檢測到的諧波分量進行傅里葉分析，通過控制IGBT的觸發將反向電流注入系統，實現諧波濾除和動態補償的無功功率。其優點在于可以根據系統的諧波變換實時的進行跟蹤補償，且不受系統阻抗的影響，清除效果比較好，保證了系統安全，同時提高負荷功率，減少變壓器的安裝容量。缺點則是運行時損耗大，成本高，而且增加了系統的容性無功功率，無法控制變電站和配電系統連接處的功率因數。

目前，常用的有源電力濾波器包括并聯型和串聯型兩種。二者治理諧波的方向不同，其中串聯型裝置在治理諧波電壓問題時較為適用，而并聯裝置在治理諧波電流問題時較為適用。二者具有大致相同的諧波治理原理，并聯裝置在檢測負載電流時，會通過使用計算方法計算諧波電流，然后向電網注入與計算結果相同的電流，從而實現治理諧波電流的目的。有源電力濾波器的優勢主要包括以下幾點，首先有非常快的相應速度，能夠在極短的時間內對負荷諧波量的變化進行響應，可以對大部分情況下的補償需要進行滿足。其次系統阻抗不會對其運行造成干擾，具有十分穩定的補償能力。再次很少與系統發生諧振。最后具有靈活的補償方式，不僅可以補償變化的諧波，還能補償變化的無功功率。

4.2 無源濾波器

無源濾波器又被稱為LC濾波器，屬于一種集電容、電阻以及電感于一體經設計而構成的濾波設備，可以濾除一次或多次諧波。串聯電感和電容的結構是最常用的無源濾波器結構，通過使用電容電阻固有的阻抗特性，可以根據不同的諧波頻率提供不同的阻抗通道，這樣一來，就會與電網阻抗形成分流的關系。濾波器也因此成了特定頻率諧波的流入目的地，以此達成治理諧波的目的。這種治理方式具有使用方式簡單且成本低廉的優勢，但與此同時，也存在一些不足，具體表現為無源濾波器在系統阻抗的影響下，其濾波效果會不斷下降，很難達成預期的治理目的。再加上無源元件容易與電網阻抗產生作用，導致發生諧振，而諧波在諧振的作用下被放大，從而影響電力系統的穩定性。

通過上述分析可知，無源濾波器在治理諧波時，可能會與低壓配電系統產生其他作用，不利于低壓配電系統的安全，而有源電力濾波器的動態特性顯著，通過有效把控注入電流能夠避免系統產生過補償問題。因此有源與無源濾波器相比，其優勢更為顯著。

5 諧波治理方式

目前，常用的諧波治理方式包括集中補償、就地補償以及支路補償3種，以下詳細介紹集中補償方式和就地補償方式。

5.1 集中補償方式

集中補償方式就是將諧波補償裝置加裝到用戶用電系統和電網連接點處。通常情況下，變壓器低壓側是主要安裝位置。以某項目為例，分析其應用效果。

項目案例為在社會經濟高速發展的背景下，單晶硅這種高科技資源受到了人們的高度關注，其生產工藝較為簡單，主要包括熔融加熱和直流加熱兩種加熱方式。這兩種加熱方式雖然采用的設備不同，但均采用了半導體可控整流方式，因此在實際加熱過程中產生的諧波數量巨大，對電網造成的諧波污染不容忽視。在這些諧波的影響下，電力系統中的電氣設備很難發揮作用，系統無功補償也受到了影響，導致低壓配電系統在供電過程中，損失了大量的電能。

其對應的治理方案為通過工作人員了解諧波產生的原因，然后通過使用集中補償方式，在補償和負載之間安裝有源濾波器，以實現完全濾除系統諧波的目的。此外，在諧波完全濾除后，無功補償裝置正常工作，保證了電力系統運行的質量。通過合理使用有源電力濾波器，改善了低壓配電系統的質量，使諧波得到了有效治理。

5.2 就地補償方式

就地補償方式是指在諧波源交流進線處安裝濾波器，然后利用濾波器的就近補償諧波濾除低壓配電系統中的諧波，以保證系統的安全。本文以某項目為例，分析治理方案。

項目案例為某服裝加工廠應用了大容量的電腦織機和UPS等主要負載。由于UPS屬于非線性負載，因此在運行過程中產生了大量的諧波電流，在諧波的影響下污染了低壓配電系統。

其對應的治理方案為技術人員通過試驗的方式，明確了諧波出現的原因，從而采用就地補償方式濾除諧波。應用就地補償方式后，諧波由28.9%下降到了7%，諧波濾除率高達75%以上。

6 結 論

諧波的產生與科學研究設備、人們生活用電子設備以及電氣設備的大量使用有關，為低壓配電系統帶來了影響。諧波的治理和抑制需要電力企業和城市電網的不斷更新和低壓配電系統設備的研究與技術性替換，跟據供電結構和設備的實際運行狀況，選擇具體有效且科學合理的諧波治理方法，從而不斷提高配電系統的穩定性和測控設備的絕對安全。