某廠站諧波監測裝置的研制與現場應用

覃巍，楊凱，郭曉艷，趙昱如，朱平

（國網陜西電力公司安康供電公司，陜西 安康 725000）

輸配電工程系統、非線性用電設備、電源質量較低這3個層面是產生諧波的主要原因。在制作發電機三相繞組和鐵心時，這兩者之間是很難達到絕對對稱的和高度一致的，還會出現一些其他的影響因素，導致發電系統的諧波產出量減少，并不是關鍵的諧波源，但是，在輸電和配電的電力網絡中，諧波的主要生產者是磁性材料構成的電力電子變壓器等一系列裝置，因為非線性是該儀器磁體具體的曲線變化，在運行過程中，該儀器的鐵心部位就會飽和，并且經濟條件是在設計電力變壓器時首先考慮的一個因素，這也就意味著接近飽和區域是電力變壓器磁化曲線磁密工作最后停留的區域。

因為各種原因，尖頂波形是磁化電流的最終形態，然后奇次諧波會一直存在于系統中。磁路結構、電力變壓器鐵芯的飽和程度會對奇次諧波的大小產生影響，0.5%的額定電流是在電力變壓器中，三次諧波電流都可以達到該額定電流。由于電力用戶大量使用非線性和沖擊性負載引發了諧波，在電力流向非線性和沖擊性的負載條件下，電流會產生畸變，從而引起電力諧波。

1 諧波電流產生的途徑

基波以及各次諧波相加的和便是電壓和電流，所以它們的基波和各次諧波含量都是通過傅里葉分解理論得來的。而且同種電源并不能分解成為電流和電壓。通常情況，電力網絡中的沖擊性和非線性負載還有一些非線性器件共同組成了諧波含量成分，從這里我們可以知道，系統中的諧波阻抗等同于發電機中的阻抗，諧波源也可以等同于其他類型的非線性負載。兩個方面共同組成了電網中的非線性負荷。在這其中，非線性元件是電網本身就具有的一種元件，并且諧波電流可以從這些元件中產生，有以下幾種元件。

（1）晶閘管。移相控制策略是晶閘管整流的主要手段，晶閘管吸收有缺角的正弦波的場所是電力系統，那么電網中就不會含有諧波，而是會產生具有缺角的正弦波。

假設單相整流電路是整流裝置的電路運行模式，那么，奇次諧波電流就會包含在感性負載中，基波中的30%就是三次諧波的整體含量；整流濾波為家用電器、電源制品、電子控制電路、依靠馬達的變頻調速器以及日光燈等電力電子電路以及電池電路提供了可以保持其正常工作的直流電源。所以，整流濾波電路是諧波的主要來源。相關數據指出，能夠生產出最大諧波源的裝置就是整流裝置，其中有40%的諧波都是整流裝置產出的。

（2）變壓器和電抗器。在國家電網里，產生諧波的裝置是變壓器。主要是因為變壓器的組裝使用的都是一些含有非線性磁性的材料，并且變壓器的變壓容量比一般容器要高出很多。磁飽和非線性增大了勵磁電流，那么，電流波形就會發生更嚴重的畸變。額定電流的6～8倍是電抗器和變壓器處于飽和狀態時合閘涌流可以達到的電流標準，在這一時期內，高次諧波和非周期分量是這種電流的主要組成部分。

（3）變頻裝置。相位控制原理可以讓變頻裝置大量投入實際工作中使用，這樣變頻裝置產生的諧波的復雜性就會增強。整數的次諧波、分數次諧波都包含在變頻裝置中。因為這種變頻裝置的功率要比其他裝置的功率高出很多，所以變頻裝置的諧波污染程度也會更高。

2 諧波監測裝置的設計

2.1 裝置主要功能

電壓諧波在線監測裝置直接從PT二次側取三相和零序電壓信號。電壓諧波在線監測裝置可以同時監測三路相電壓和一路零序電壓信號。電壓諧波在線監測裝置通過4G/5G無線通信系統同系統平臺軟件進行通信。該裝置主要功能，如表1所示。

表1 裝置主要功能表

諧波在線監測分析裝置廣域同步采樣的設計和實現。為了能夠更好地分析電壓熔斷器熔斷的原因，需要引入多個不同位置的在線監測分析裝置的錄波數據進行分析，這就要求不同位置的在線監測分析裝置的采樣數據必須精確同步，同步誤差越小，分析準確性越高。

2.2 硬件電路抗電磁干擾設計

硬件電路的電磁干擾設計對于整個裝置的安全穩定運行至關重要，如果電磁兼容性不好，裝置的電子系統就會受到極大的電磁干擾并造成有害能量持續傳播，最終直接影響裝置的運行穩定性和安全性。一般情況下，硬件電路所承受的電磁干擾共有兩類，一類是外部干擾，一類是內部干擾。這里面內部干擾的危害性最大，直接影響電子信號傳輸的效率，而外部干擾則會直接影響電池發射的效率。

為了改良硬件電路板的抗電磁干擾性能，本次設計主要考慮以下幾個方面。

（1）電路板接地線設計。電路板的地線設計是首要考慮的，主要是為了避免電磁干擾，確保電位的穩定性和均衡性。如果地線的設計不合理，那么出現設備故障的可能性就會大大增加，因為電路的基準電位就是地線處的電位，該電位一旦不穩定，尤其是忽上忽下地飄，那么極易出現電磁干擾，直接影響設備裝置的安全穩定運行。

（2）線路板設計。在抗電池干擾時，需要考慮外部連接的布局。內部電子元件的優化布局、金屬連線和通孔的優化布局、電磁保護、熱耗散等各種因素。優秀的版圖設計可以節約生產成本，達到良好的電路抗干擾性能和散熱性能。

（3）濾波器設計。我們需要制定最優濾波器的方案。增設濾波器主要是為了消除導線中的電磁干擾進而避免這些信號影響設備的安全穩定運行。這是由于不同導線在外界干擾的大環境下接受電磁干擾信號，成為一個大的污染源，進行濾波設計最主要的目的就是能夠削弱電磁干擾帶來的負面影響。

（4）屏蔽設計。有時候，針對高頻輻射電路，僅通過單一的地線或者電路板設計無法很好地實現抗干擾的效果，因此需要對設備進行屏蔽處理，對表面進行導電氧化處理，達到電磁抗干擾的目的。

2.3 諧波在線監測裝置軟件設計

所研發的諧波在線監測裝置可實時計算所監測電氣量特征及突變量，只要所監測電壓電流的變化量超過設定門限及將突變時刻前后（一般為前4后16個周波的波形）發送至后臺軟件供進一步的分析。可用于故障分析、瞬時過電壓分析、瞬時性諧波分析及其他異常情況分析等。其軟件開發時序圖，如圖1所示。

圖1 諧波采集裝置軟件時序圖

當監測設備正常運行時，以1小時為1周期頻率，將監測的數據，傳送至數據中心，并完成反饋數據的接受。該軟件具有自檢功能，運行穩定可靠。

3 PT熔斷器頻繁熔斷的處理建議

由于電磁式電壓互感器鐵磁諧振現象具有多樣性和頻發性，能夠找到切實有效的抑制鐵磁諧振的措施是十分必要而緊迫的，為此近年來相關領域的專家做了大量的理論研究和實驗分析。綜合來看，一般抑制諧振的措施可以分為兩大類。

3.1 通過改變系統參數消除諧振

我們可以將變電站看成一個電感L，變電站出線所帶的用戶可以看成是電容C，正常在工頻情況下，WL和1/WC不會相等，若相等就滿足了諧振條件，電感的能量和電容能量就會不斷轉換，他們中間會流過大量諧振電流，這顯然是不可能的；但是，若發生了故障，這個系統就會從穩態向暫態過度，根據楞次定律，為了維持系統回到穩態過程，就會產生一個抑制它變化的反向磁通，這個反向磁通一分解就是直流分量和高頻分量，也就產生了諧波。我們如果能改變L或者C的值，讓他們不滿足產生諧振的條件即可，但這樣在實際操作中不可能實現。

3.2 消耗諧振能量

加裝阻尼和控制環流，如高壓側經阻尼電阻接地，二次側開口三角形加裝阻尼電阻等。在發生諧振時，諧振能量在阻尼元件作用下會快速消耗，從而破壞諧振條件，達到目的。

（1）高壓側經阻尼電阻接地。這個也就是一次消諧，即在PT回路串接一個對頻率敏感的電阻，這個電阻在工頻情況下電阻為0，一旦有高頻分量，他就會變成無窮大電阻將回路阻斷，保護設備，這個高頻分量具體是多少就涉及消諧裝置的選型，看消諧區是20次還是40次還是60次。具體選擇什么樣的消諧區是我們上一階段說的諧波監測裝置給我分析出來的，比如，捕捉的波形一分解發現最高諧波是34次，那么消諧區選擇40次諧波的就完全可以。該方法能很好地抑制諧振現象，目前工程首選此方式。

（2）開口三角形加裝阻尼電阻。二次消諧裝置是在PT二次回路并接一個阻尼電阻絲或者燈泡鎢絲，其原理就是發生諧振通過這個電阻不斷消耗能量直到諧振結束，相比一次消諧其缺點就是無法監測其好壞，因為只有發生諧振這個燈泡流過電流才會亮，平常沒有諧振不亮，就給運維人員監控帶來難度。

（3）高壓側經單相PT接地。在原三相PT高壓側中性點處接入一單相PT，利用單相PT作為零序PT來分擔零序電壓，進而使原三相PT不容易工作在飽和狀態的方法消除諧振。高壓側經單相PT雖然可以有效地緩解三相的飽和程度，但能力有限，一旦這個單相也飽和，產生的諧振會更加麻煩。此外，閉合的三角形零序回路中難免有大的環流存在，對三相的安全造成隱患，且設備投資大，安裝困難，實際應用較為困難。

4 現場實驗數據分析

試驗人員赴某廠站熱處理分廠利用諧波在線監測裝置開展電能質量分析測試，試驗從早晨10:00開始持續測量，其間運維人員通過啟動2#加熱爐觀察錄播波形，然后，依次啟動3#～5#加熱爐令爐膛溫度達到150℃，穩定30min繼續監測波形并記錄試驗數據，隨后依次斷開2#～5#加熱爐，整個試驗過程持續2h。

根據國標要求，測試結果均按照95%值判定合格與否，某廠站35kV開關柜所測數據諧波含量已超標，諧波總含量A相44.7%，B相43.2%，C相40.1%，從裝置界面可以發現5次、11次、13次和17次諧波含量超標，達到了本次實驗的目的，實驗結論如下。

（1）試驗過程中發現，當所有爐子全部啟動晶閘管控制器根據溫度開始調節觸發角時，波形出現毛刺，證明晶閘管電力電子原件為產生諧波的主要原因，下一步需要將電力電子元器件與主變壓器之間采取隔離措施。

（2）當所有爐子啟動時，功率因數下降明顯，證明系統無功被電力電子元器件消耗，產生短時的無功缺口。下一步需要增設小型濾波器原件與無功補償元器件，以補償晶閘管在換相過程中所消耗的無功，確保電能質量達標。

5 結語

本文主要通過研制的諧波監測裝置在現場的實際應用著手，進一步驗證了其采樣的穩定性，錄波的實時性和數據分析的正確性。通過現場掛網運行的諧波在線監測裝置可有效錄取熔斷器熔斷時刻的波形，裝置通過捕捉波形特征并跟典型波形庫對比得出諧波超標的含量，同時，通過專家診斷系統提示運維人員可能出現此現象的原因，最后，根據理論研究的結論給PT熔斷器頻繁熔斷提供了處理建議，有極大的參考意義。