淺析火力發電廠的諧波與抑制

黃臻

（華電國際鄒縣發電廠，山東 鄒城 273522）

諧波存在于電力系統從發電端到用戶端的全過程每一個環節。抑制諧波，既能有效減少電能損耗、消除影響設備壽命的不利因素，又能改善電磁環境，提高發供電設備的運行穩定性。

1 諧波的定義和檢測

諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，處理得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/fl）稱為諧波次數。

發電廠諧波主要是發電廠電氣系統之中存在非線性電力元件和負載產生的。主要有非阻性負載（容性負載、感性負載）和電力電子變流設備等。非線性負載的電流和電壓為非線性關系，電流非正弦波，引起電壓波形發生畸變。這種非線性負載除了產生基于基頻整次倍的諧波，也可產生低于基頻的次諧波和大于基頻的非整數倍的諧波。國家標準《電能質量：公共電網諧波》GB/T 14549-1993規定了公用電網諧波電壓限值和用戶向公用電網注入諧波電流允許值，是目前發電廠諧波管理重要的技術依據。

諧波電流、電壓和諧波阻抗是諧波檢測的三個最基本參數。測量諧波電流一般采用低感分流器和電子式電鉗的測量方法。測量諧波電壓一般采用電阻分壓器或電容分壓器的測量方法。諧波測量設備一般基于快速傅立葉分析原理，由模擬濾波器和模擬（數字）相關器或計算機組成。諧波阻抗測量一般是對所測量的系統外加一個可控諧波電流源，分別測量其電壓的幅值、相位。實際工作中，通常采用電能質量分析儀、諧波檢測儀來監測和分析諧波。將負載或電氣設備接入系統的公共連接點選為諧波測量點，測量此點的電壓以及注入系統的電流，取得需要的諧波數據。

2 發電廠常見諧波源

向電氣系統注入諧波電流以及在電氣系統中產生諧波電壓的設備統稱為諧波源。非線性電氣設備是主要的諧波來源。根據諧波的定義可以得出，電力系統所有環節都可能產生諧波，在配電和用電這兩個環節上產生諧波的設備數量最多。發電廠的廠用電系統和發電機組電氣和熱工保護控制系統恰恰就屬于配電和用電這兩個環節。由于電力諧波知識專業性強，了解的人員較少，往往未引起足夠的重視。

（1）發電廠大型同步發電機可產生一定數量的諧波。在理想狀態下，發電機的三相繞組完全對稱，鐵芯完全均勻一致，并不會產生諧波。但理想狀態下的發電機在實際應用的發電廠中是不存在的。由于材料、工藝、加工精度等客觀條件的限制，發電機制造既做不到三相繞組完全對稱，也做不到鐵芯完全均勻一致。發電機產生少量的諧波是不可避免的。

（2）發電廠電力變壓器是重要的諧波來源之一。由于變壓器鐵芯存在飽和現象，非線性特征明顯，變壓器的激磁電流中含有3、5、7等奇次諧波分量。由于一般變壓器的原副邊繞組總有一個三角形接法，為3次諧波提供了通路，3次諧波無法流入電網，流入電網為高于3次的5、7等奇次諧波。所以變壓器注入電網的電流含大量奇次諧波，諧波電流的大小與變壓器鐵芯飽和度正相關，鐵芯飽和度越高，產生的諧波電流就越大，危害性也就越大。

（3）發電廠采用晶閘管整流技術的設備，是產生諧波的重要來源之一。在發電廠中，直流系統充電裝置、UPS、開關電源、汽機快冷裝置、螺栓加熱器、控制設備直流電源等都離不開晶閘管整流技術。這些設備應用范圍廣、數量大，且都會產生大量的諧波。從數量來說是發電廠最大的諧波源。

（4）發電廠廣泛使用的高低壓變頻器是產生諧波的重要來源之一。變頻技術在發電廠節能技術改造應用中越來越普遍。變頻器按照額定電壓來分，主要有兩大類，一種是高壓變頻器，主要應用在變載的大型風機、水泵上，如發電廠吸、送風機、凝升泵、凝結泵、循環泵等；另一種是低壓變頻器，主要用在給粉機、給煤機、電梯和消防系統穩壓泵等一些小型水泵或風機等方面。近年來，高壓變頻器技術發展較快，應用在發電廠凝升泵、循環泵、六大風機等節能效果明顯，產生巨大的經濟效益。尤其是交-交高壓變頻器技術發展和國產化程度的提高，促進了高壓變頻器迅速普及，變頻器設備大量應用。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網造成嚴重的諧波污染。由于使用數量較大，在諧波源中的作用更不可忽視。

（5）充氣電光源是發電廠典型的諧波來源之一。作為發電廠主要照明設備的充氣電光源，是應用氣體放電原理的最常見電氣設備。這種具有明顯非線性特征的用電設備，在發電廠生產現場使用數量最大，應用范圍最廣，存在于發電廠各個系統的各個角落。如日光燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、高壓汞燈等。

（6）用電環節中的電氣設備也能產生一定量的諧波。如發電廠生產現場大量使用的空調器和計算機、顯示器、電子電器等，因內置調壓整流元件而產生一定數量的諧波。發電廠電氣系統中大量使用各種電動機，也能產生一定量的諧波，也是不可忽視的諧波來源。

3 諧波在發電廠中的危害性

對于發電廠而言，諧波干擾往往是容易被忽視的重大危險源。由于發電廠配置的自動控制、保護、測量裝置采用大量的電子元件，容易受到諧波干擾產生誤動，一旦控制裝置誤動將直接威脅發電機組的安全穩定運行。諧波往往會引起故障錄波器誤啟動。系統中存在的不明原因的誤動和拒動，往往與諧波有關。配電系統中諧波引起的諧振過電壓，有可能造成絕緣類故障。諧波超標會嚴重威脅發電系統的安全穩定運行。

（1）諧波對于變壓器的影響。諧波電流會使變壓器鐵損增加，引起鐵芯過熱，降低變壓器效率，影響變壓器壽命。

（2）諧波對于電氣電容器的影響更為直接和顯著。由于電容對于高次諧波的阻抗很小，很容易造成過載損壞。所以對于電容器設計和選型應考慮諧波因素的影響。

（3）對斷路器而言，一般其分合閘回路元件為電磁線圈，可能受諧波的影響誤動。同時，在分閘過程中，由于諧波的存在，當斷路器在電流過零時會因為諧波疊加造成開斷困難，延長了故障電流的切斷時間。

（4）發電廠主輔系統中普遍使用的異步電動機，會因為諧波的存在造成附加損耗增加，同時也會降低電動機的出力。

（5）電能表是發電廠重要的計量工具，關口電能表更是發電廠關乎經濟效益的核心計量設備。諧波直接危害是可能會引起電能表計量誤差增加，甚至是計量失效。由此計量數據的統計分析用于機組或系統的調整也會產生偏差，使得機組或系統難以運行在最佳經濟方式下，更會因計量誤差的增大帶來直接的經濟損失。

（6）對于電力電子變流設備，諧波有可能造成晶閘管誤觸發，導致設備故障停運甚至是損壞，也容易引起連鎖反應威脅機組的安全穩定運行。

（7）高次諧波會干擾發電廠通信及信息處理設備，影響它們的穩定運行。

（8）諧波對于人體的危害，主要是對大腦、心臟的影響以及諧波噪聲對人體健康的影響。

4 發電廠抑制諧波的措施和方法

管理諧波的思路主要是抑制諧波，就是采取消除或補償等手段將諧波量控制在較低的安全范圍內。對于發電廠而言，抑制諧波主要采取如下針對性措施：

（1）重視諧波的危害和掌握諧波相關知識非常重要。在管理層面和技術層面上采取措施，加強對諧波標準、規范的培訓和學習，明確抑制諧波是保證電網（包括發電廠）和設備安全穩定運行的基本保證。讓從業者認識什么是諧波，如何測量和評價，了解諧波的成因和危害，掌握抑制諧波的方法和措施。

（2）重視源頭治理。嚴把設計選型關，新上或改造的設備，在設計、選型方面應將該設備的諧波污染度作為基本指標進行審核，滿足國家標準對諧波限制的要求。一方面嚴格根據有關標準審查新設備的有關參數，防止諧波超標的設備接入系統（如整流設備要求采用不低于12脈沖整流技術，可消除5、7次諧波等）。另一方面防止電磁兼容不合格的設備接入系統，引起設備的不正常運行。

（3）發現不明原因的設備誤動或拒動，不可輕易放過。可考慮進行諧波檢測分析，查找諧波源產生的位置和原因，判斷是否產生了超標的諧波污染。

5 結語

諧波管理是發電廠電氣技術管理中的一個容易忽略的工作，也是電氣技術管理更高層次的要求。諧波的檢測、抑制等控制措施是改善電能品質、提高發電設備運行穩定性的重要手段。加強諧波管理既能保證電能質量，又能降低電磁污染環境，減少能耗，提高發電設備運行穩定性，滿足發電廠安全穩定運行的需要。