電力系統(tǒng)諧波是重要的電能質(zhì)量指標(biāo)之一。當(dāng)電力系統(tǒng)中諧波含量達(dá)到一定程度時(shí)，將對電力設(shè)備帶來嚴(yán)重危害，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文講述了電力諧波的概念，對電網(wǎng)中諧波的來源和危害進(jìn)行了簡要分析，提出了治理諧波的方法及管理措施。

 

    [關(guān)鍵詞]電網(wǎng) 諧波　管理

 

    由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。我們必須很慎重地考慮諧波和它的不良影響，以及如何將不良影響減少到最小。

 

    1　諧波的概念

 

    在理想的供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。在實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行中，含在許多非線性負(fù)荷，當(dāng)電流流過與所加正弦電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，電流要產(chǎn)生畸變，形成非正弦波電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。

 

    供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。 諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。諧波頻率是基頻的整倍數(shù)，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備。

 

    諧波電流朝諧波阻抗小的方向流動。高一級電壓諧波阻抗比低壓諧波阻抗小，所以諧波電流向上一級電壓等級系統(tǒng)流動。

 

    2　諧波的產(chǎn)生

 

    電力網(wǎng)絡(luò)的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多的是用電環(huán)節(jié)。

 

    (1) 發(fā)電源產(chǎn)生諧波：

 

    發(fā)電機(jī)是由三相繞組組成的，從理論上講，發(fā)電機(jī)三相繞組必須完全對稱，發(fā)電機(jī)內(nèi)的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產(chǎn)生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面的限制，發(fā)電機(jī)總會產(chǎn)生少量的諧波。

 

    (2) 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：

 

    輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線性就越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。

 

    (3) 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：

 

    用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設(shè)備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產(chǎn)生一定量的諧波?！【чl管整流技術(shù)在電力機(jī)車、充電裝置、開關(guān)電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，而留給電網(wǎng)剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量的諧波。有統(tǒng)計(jì)表明，整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個諧波的近40%，是最大的諧波源。

 

    變頻原理常用于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備中，變頻一般分為兩類：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V /50Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會產(chǎn)生含復(fù)雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染?！?電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2-7次的諧波，平均可達(dá)基波的8%-20%，最大可達(dá)45%。

 

    充氣電光源和家用電器更是常見的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應(yīng)用氣體放電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線性特征。計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波;電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動機(jī)，因不平衡電流的變化也能使波形改變。產(chǎn)生一定量的諧波。這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。

 

    3　諧波的危害

 

    諧波作為一種污染，對電網(wǎng)危害十分嚴(yán)重，它使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電器設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化、使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，它可引起電力系統(tǒng)局部諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備損壞，它能引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。另外，還對通訊設(shè)備和電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾等等。電力系統(tǒng)中諧波的危害概括起來有以下幾個方面：

 

    (1)增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益：

 

    諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)。對于電力電容器，諧波會導(dǎo)致端電壓升高，損耗加大，電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命?！∨渚W(wǎng)中使用大量異步電動機(jī)，產(chǎn)生的諧波會增加附加損耗。負(fù)序諧波產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，會產(chǎn)生制動力矩，影響電動機(jī)的有功出力。對斷路器而言，無論其構(gòu)成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或電子的，都可能受諧波的影響誤動。

 

    (2)影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性：

 

    對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護(hù)及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

 

    (3)對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾：

 

    電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時(shí)，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全。

 

    (4)對用電設(shè)備的影響：

 

    電力諧波會使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機(jī)內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。

 

    電力諧波還會對測量和計(jì)量儀器的指示不準(zhǔn)確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，電能表是評價(jià)電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費(fèi)的憑證，而諧波可能使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致計(jì)量混亂。

 

    (5)對人體的影響：

 

    對于人體，諧波會刺激人體細(xì)胞，使正常的細(xì)胞膜電位發(fā)生快速波動或可逆的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)這種波動或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時(shí)，會影響人體大腦與心臟。

 

    4 諧波的測量

 

    諧波的危害程度在生產(chǎn)實(shí)踐中不易覺察到，需要使用諧波測量儀進(jìn)行專業(yè)測量和計(jì)算，諧波測量儀分為攜帶式及固定接線式。諧波測量對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用：檢定實(shí)際網(wǎng)絡(luò)諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;了解和掌握各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的諧波水平及其變化、檢驗(yàn)諧波對有關(guān)設(shè)備的影響;諧波故障和異常的原因測量，以找到應(yīng)采取的相應(yīng)對策;諧波專題測試還可以便于了解諧波源特性、系統(tǒng)諧波阻抗、諧波潮流分布和諧波放大現(xiàn)象等。

 

    (1)測量條件

 

    諧波電壓(或電流)測量應(yīng)選擇在電網(wǎng)正常供電時(shí)可能出現(xiàn)的最小運(yùn)行方式，且應(yīng)在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行(例如：電弧煉鋼爐應(yīng)在熔化期測量)。當(dāng)測量點(diǎn)附近安裝有電容器組時(shí)，應(yīng)在電容器組的各種運(yùn)行方式下進(jìn)行測量。測量的諧波次數(shù)一般為第2至第19次，根據(jù)諧波源的特點(diǎn)或測試分析結(jié)果，可以適當(dāng)變動諧波次數(shù)測量的范圍。

 

    對于負(fù)荷變化快的諧波源(例如：煉鋼電弧爐、晶閘管變流設(shè)備供電的軋機(jī)、電力機(jī)車等)，測量的間隔時(shí)間不大于2min，，測量次數(shù)應(yīng)滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)的要求，一般不少于30次。對于負(fù)荷變化慢的諧波源(例如：化工整流器、直流輸電換流站等)，測量間隔和持續(xù)時(shí)間不作規(guī)定。

 

    諧波測量的數(shù)據(jù)應(yīng)取測量時(shí)段內(nèi)各相實(shí)測量值的95%概率值中最大的一相值，作為判斷諧波是否超過允許值的依據(jù)。為了實(shí)用方便，實(shí)測值的95%概率值可按下述方法近似選?。簩?shí)測值按由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值，取剩余實(shí)測值的最大值。

 

    (2)諧波電壓及電流限值

 

    諧波電流進(jìn)入供電系統(tǒng)后將產(chǎn)生諧波電壓，影響到連接在同一母線的其他負(fù)荷或連接同一電源的臨近裝置。因此，國家規(guī)定諧波造成電網(wǎng)電壓波形畸變率極限和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

 

    對用戶進(jìn)行考核時(shí)，不應(yīng)考核電壓波形畸變率，而應(yīng)考核諧波電流值不超標(biāo)，這是因?yàn)樵谟脩籼幹C波電壓測得值低，流經(jīng)線路后，流入變電所出口時(shí)諧波電壓升高。而諧波電流是恒流，保持不變。

 

    國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中列出了有關(guān)諧波電壓及電流的限值。

 

    表1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值

 

    公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過表2規(guī)定的允許值。

 

    表2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

 

    諧波含量(電壓或電流)——從周期性交流量中減去基波分量后所得的量。

 

    諧波含有率(HR)——周期性交流量中含有的第h次諧波分量的方均根值與基波分量的方均根值之比。第h次諧波電壓含有率以HRUh表示，第h次諧波電流含有率以HRIh表示。

 

    總諧波畸變率(THD)——周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比。電壓總諧波畸變率以THDu表示，電流總諧波畸變率以THDi表示。

 

    當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，諧波電流允許值需進(jìn)行換算，修正公式為Ih=

 

    式中：Sk1——公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA;

 

    Sk2——基準(zhǔn)短路容量，MVA;

 

    Ihp——表2中第h次諧波電流允許值，A;

 

    Ih——短路容量為Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A。

 

    同一公共連接點(diǎn)的每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議容量與其公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。

 

    在公共連接點(diǎn)處第i個用戶的第h次諧波電流允許值Ihi按下式計(jì)算：Ihi=Ih

 

    式中：Ih——換算后的第h次諧波電流允許值，A;

 

    Si——第i個用戶的用電協(xié)議容量，MVA;

 

    St——公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量，MVA;

 

    α——相位迭加系數(shù)，按表3取值。

 

    5　諧波的治理

 

    針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，應(yīng)采取相應(yīng)的隔離、補(bǔ)償和減小措施。可能的解決方法有：

 

    (1)改善供電結(jié)構(gòu)：

 

    選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡。盡量將產(chǎn)生大量諧波的非線性負(fù)荷與基本上不產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備分在不同供電母線上。因?yàn)閷⒍鄠€諧波源接于同一段母線上，利用諧波的相互補(bǔ)償作用可降低電網(wǎng)諧波含量。

 

    (2)裝設(shè)濾波器：

 

    濾波器通常安裝在非線性負(fù)荷側(cè)母線上，使其固有頻率按要求和某些特征頻率共振，從而吸收大部分諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流。濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。無源諧波抑制裝置由濾波電容器、電抗器和電阻器組合而成，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償的需要。其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。有源濾波器產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)電流只含基波分量，補(bǔ)償性能好，但容量大、成本高。

 

    (3)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，對大型電弧爐及晶閘管控制的軋鋼機(jī)等非線性設(shè)備，由于其負(fù)荷是沖擊性的，而且是隨機(jī)的，因此宜裝設(shè)能吸收動態(tài)諧波電流的靜止無功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

 

    (4)對于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設(shè)限流裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。

 

    (5)對容量在100kVA及以上整流裝置和非線性設(shè)備的用戶，必須增設(shè)分流濾波裝置，就近吸收電力諧波。

 

    (6)換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一，可以采用增加換流裝置的相數(shù)，有效的消除幅值較大的低頻項(xiàng)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。

 

    (7)增加中性線容量：

 

    中性線因諧波電流的影響可能產(chǎn)生超過相線的電流，如果通過理論計(jì)算或?qū)崪y的中性線諧波電流較大時(shí)，就必須增大中性線容量。

 

    (8)采用D，yn11接線組別的變壓器：

 

    采用D，yn11接線組別的配電變壓器，由于三次諧波電流可在D接線高壓繞組的閉合回路流通，所以相電壓中沒有三次諧波分量，這樣就抑制了高次諧波電流，從而達(dá)到使中性線中諧波電流減小的目的。

 

    6　諧波的日常管理

 

    隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，諧波對電力網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重，供電企業(yè)對諧波管理的意義認(rèn)識更加深刻。諧波管理也是建設(shè)國家一流縣供電企業(yè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對諧波源的管理和諧波抑制工作需進(jìn)一步加強(qiáng)，大力開展諧波測量、諧波源監(jiān)測、諧波分析、諧波治理等工作。從管理上可采取以下措施：

 

    (1)充分認(rèn)識諧波對電網(wǎng)的危害，建立健全諧波管理體系，組織專業(yè)管理隊(duì)伍，對諧波進(jìn)行專業(yè)管理，開展諧波專業(yè)分析與治理。

 

    (2)普及諧波管理知識，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹。要充分認(rèn)識到，諧波治理不只是供電企業(yè)的責(zé)任，而是電力企業(yè)和用戶的共同責(zé)任，減少電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量，對雙方都有較大的潛在利益。諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的舉措。

 

    《中華人民共和國電力法》指出："用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序"，《供電營業(yè)規(guī)則》中規(guī)定："用戶的非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)運(yùn)行所注入電網(wǎng)的諧波電流和引起公共連接點(diǎn)至正弦波畸變超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用戶必須采取措施予以消除。"

 

    (3) 主管部門對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料;在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。評估電力用戶的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。

 

    (4)嚴(yán)格業(yè)擴(kuò)報(bào)裝審批手續(xù)，對新上用戶設(shè)備的負(fù)荷特性嚴(yán)格審查，非線性負(fù)荷用電設(shè)備接入電網(wǎng)前，對消諧裝置要組織驗(yàn)收，如果驗(yàn)收不合格，不允許通電;通電后要進(jìn)行諧波實(shí)測，如果實(shí)測諧波超標(biāo)，不允許該非線性負(fù)荷接入電網(wǎng)運(yùn)行。

 

    (5)嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理。用戶注入電網(wǎng)的諧波電流超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用戶必須采取措施消除;否則，供電企業(yè)可中止對其供電。

 

    (6)已經(jīng)投產(chǎn)諧波源的遺留問題要按照“誰污染，誰治理”的原則認(rèn)真處理，在大容量非線性用戶入網(wǎng)側(cè)要加裝諧波監(jiān)測裝置，對不履行供用電協(xié)議的可停止供電，對電網(wǎng)及其他用戶造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的由造成電能質(zhì)量不合格的諧波源用戶負(fù)責(zé)賠償。

 

    7　結(jié)束語

 

    諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質(zhì)的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》對電網(wǎng)各級電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制，對用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理有明確的規(guī)定和要求，而日益發(fā)展的農(nóng)村電網(wǎng)對有關(guān)諧波的治理并未引起足夠的重視，認(rèn)識還有待提高。目前農(nóng)網(wǎng)中的高壓配電的許多用戶，對諧波的危害也沒有引起足夠的重視，往往認(rèn)為諧波治理是電力部門的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門有必要加強(qiáng)諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波治理的重要性和投資回報(bào)。在對諧波準(zhǔn)確測量的基礎(chǔ)上，提出適合用戶的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長用戶設(shè)備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。

 

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