電網(wǎng)諧波的分析與治理
施紹坤
摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)中非線性負荷用戶的比例不斷提高，由此而產(chǎn)生的供電電能質(zhì)量嚴重下降。特別是冶金工業(yè)、化學工業(yè)及電氣化鐵路的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負荷及沖擊性負荷日趨增加，對電網(wǎng)電能質(zhì)量的“污染”加劇，使電網(wǎng)的非線性（諧波）、非對稱性(負序) 和波動性日趨嚴重。已引發(fā)電網(wǎng)不少異常和事故，治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長設備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。?電力論文,發(fā)表論文,經(jīng)濟論文網(wǎng)

關鍵詞：電能質(zhì)量 非線性 諧波治理

一、諧波的基本特性和測量分析
（一）諧波基本特性。
諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。理論上看，非線性負荷是電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線性負荷吸收電流和外加端電壓為非線性關系，這類負荷的電流不是正弦波，且引起電壓波形畸變。周期性的畸變波形經(jīng)過傅立葉級數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱作諧波。
非線性負荷除了產(chǎn)生基頻整次諧波外，還可能產(chǎn)生低于基頻的次諧波，或高于基波的非整數(shù)倍諧波。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)短路、開路等事故，而導致系統(tǒng)進入暫態(tài)過程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的范疇。
要治理諧波改善供電品質(zhì)，需要了解諧波類型。諧波按其性質(zhì)和波動的快慢可分成四類：準穩(wěn)態(tài)諧波、波動諧波、快速變化的諧波和間諧波四類。因其多樣性和隨機性，在實際工作中，要精確評估諧波量值非常困難，所以在IEC 6100-4-7標準中對前三類諧波進行了規(guī)定，推薦采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對諧波進行測量。兼顧數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)壓縮的需要，標準對測量時段以及通過測量值計算諧波值提出了建議。?
國標GB/T 14549-1993采用觀察期3s有效測量的各次諧波均方根值的95%概率作為評價諧波的標準。為簡便實用，將實測值按由大到小的方式排序，在舍去前5%個大值后剩余的最大值，近似作為95%的概率值。?
（二）諧波的測量及分析。
國標規(guī)定諧波測量時的運行方式為：電網(wǎng)正常供電時可能出現(xiàn)的最小運行方式，且應在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量最大的時段內(nèi)進行諧波電壓、電流的測試。當測量點附近安裝有電容器組時，應在電容器組的各種運行方式下進行測量。測量的諧波次數(shù)一般為2-25次，根據(jù)諧波源的特點或測試分析結(jié)果做相應調(diào)整。諧波電流允許值的計算與三個參數(shù)有關：最小短路容量SK1、供用電設備容量St及協(xié)議容量Si。其中最小短路容量指的是正常最小運行方式下的短路容量；協(xié)議容量不包括起替換作用的冷備用容量；供用電設備容量和最小短路容量下的供電方式相對應。公用電網(wǎng)諧波　GB/T 14549-1993中規(guī)定：對于負荷變化快的諧波源，測量的間隔時間不大于2min，每次測量結(jié)果可為3s內(nèi)所測值的平均值，測量次數(shù)一般不少于30次；對于慢變化諧波源測量的間隔及持續(xù)時間不作規(guī)定。目前，電能質(zhì)量監(jiān)測儀都采用連續(xù)有縫的監(jiān)測方式，即：測量的間隔時間大于3秒，一般為1至15分鐘。可進行如下測量：電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動、閃變、三相不平衡度、電壓波動和閃變、電壓驟升、驟降、中斷等。
在實際測量工作中，通常采用諧波測試儀來監(jiān)測和分析諧波。一般來說，將用戶接入公用電網(wǎng)的公共連接點作為諧波監(jiān)測點，測量該點的電壓和注入公共電網(wǎng)的電流后，通過對電壓和電流的分析，取得諧波測量資料。?
相對單點的諧波測量而言，從區(qū)域或整個電網(wǎng)角度來看，諧波源的定位和確定諧波模型進而分析它是一個相對復雜的過程。諧波源定位，一般采用功率方向法和瞬時負荷參數(shù)分割法。而諧波模型分析的方法一般有三種：非線性時域仿真、非線性和線性頻率分析。三種方法的相同點是對電網(wǎng)作適當?shù)木�性化處理，只是在處理非線性設備時采取了不同的模擬方式。
在取得諧波測試結(jié)果后進行分析，選擇測量時段內(nèi)各相實測量值的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)；根據(jù)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值表判斷諧波電壓是否超標；根據(jù)公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流允許值判斷諧波電流是否超標。

二、 電網(wǎng)中的諧波源
嚴格意義上講，電力網(wǎng)絡的每個環(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)生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上。
發(fā)電環(huán)節(jié)。
發(fā)電機是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機三相繞組必須完全對稱，發(fā)電機內(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)境以及制作技術等方面的限制，發(fā)電機總會產(chǎn)生少量的諧波。?
輸、配電環(huán)節(jié)。
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，其工作點偏離線性就越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。
用電環(huán)節(jié)。
用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設備、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。?
晶閘管整流技術在電力機車、充電裝置、開關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)計表明，整流設備所產(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、風機等設備中，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，所以在變換后會產(chǎn)生含復雜成分(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)造成嚴重的諧波污染。?
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。計算機、電視機、錄像機、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；電風扇、洗衣機、空調(diào)器含小功率電動機，也會產(chǎn)生一定量的諧波。這類設備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。?

三、諧波在電網(wǎng)中的危害
（一）諧波干擾威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
因電網(wǎng)中的電氣設備很大部分采用電磁式繼電器、感應繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動和拒動，系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動和拒動，與諧波不無關系。所以諧波超標，會嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
（二）增大變壓器及電容器等的耗損，制造噪聲污染。
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，諧波導致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標，影響工作人員的身心健康。對于電力電容器，諧波會導致端電壓升高，損耗加大，電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命。?
（三）影響電動機有功輸出，影響電磁、熱磁場運行。
配網(wǎng)中使用大量異步電動機，產(chǎn)生的諧波會增加附加損耗。負序諧波產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場，會產(chǎn)生制動力矩，影響電動機的有功出力。對斷路器而言，無論其構成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或電子的，都可能受諧波的影響誤動。?
（四）易造成電能表誤動和拒動。
電能表是評價電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費的憑證，而諧波可能使電能計量產(chǎn)生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動，保護誤動和拒動的重要因素。?
（五）對人體健康造成不良影響。
諧波會通過靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進入通訊系統(tǒng)，影響它們的正常運行。對于人體，諧波會刺激人體細胞，使正常的細胞膜電位發(fā)生快速波動或可逆的翻轉(zhuǎn)，當這種波動或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時，會影響人體大腦與心臟。
四、 影響電能質(zhì)量的因素及其對策
我們已知影響電能質(zhì)量的主要因素是各種非線性用電設備、變壓器和各類鐵心電抗器等各種諧波源，諧波不但影響用戶設備的正常運行，而且對電網(wǎng)設備和自動化裝置有很大的影響。諧波對電網(wǎng)自動化裝置的影響，應改進自動化裝置的制作工藝和工作原理，加強裝置的抗干擾能力，防止裝置誤動作。但這對改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量并無任何作用，只能是減少電網(wǎng)諧波對自動化裝置影響，因此關鍵是針對各類諧波源進行電能質(zhì)量的治理，應加強對用戶諧波源的治理和改變電網(wǎng)參數(shù)，降低或消除諧波諧振。采取必要的有效手段，避免或補償已產(chǎn)生的諧波，現(xiàn)提出以下治理措施進行探討：?
（一）加強電能質(zhì)量標準和相應規(guī)范的宣傳貫徹。
電能質(zhì)量監(jiān)測有益于電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，便于及早發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在的隱患，有利于對已發(fā)生的電力事故進行更有效深入的分析，從而采取措施，予以防治；另一方面全程監(jiān)視電能各方面的質(zhì)量指標參數(shù)，以適應不同應用場合的數(shù)據(jù)分析需要。IEC 6100以及國標GB/T 14549-1993，對于諧波定義、測量等進行了宣傳，明確諧波治理是一項互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設備安全穩(wěn)定運行的舉措。應在電力系統(tǒng)各部門大力宣貫，認真遵照執(zhí)行。
（二）加強系統(tǒng)分析、正確測量。
電網(wǎng)管理部門對所轄電網(wǎng)進行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設置長期觀察點，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產(chǎn)生了超標的諧波污染。?
（三）優(yōu)化電網(wǎng)運行參數(shù)，消除和補償產(chǎn)生的諧波。
對于電網(wǎng)，應優(yōu)化電網(wǎng)參數(shù)，改變運行方式，優(yōu)化無功補償?shù)陌惭b地點、方式和容量，消除電網(wǎng)諧振或減小電網(wǎng)對諧波的放大作用。如：在變電站10 kV TV、35 kV TV的一次側(cè)中性點加裝非線性電阻及消諧裝置；在10 kV母線加裝消諧裝置；改變10 kV并聯(lián)補償電容器的參數(shù)等方法來補償產(chǎn)生的諧波。
（四）合理進行電氣設計，減少諧波污染。
針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點，采取相應的隔離、補償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎上，通過適當加裝濾波設備來減小諧波注入電網(wǎng)。對于各種電氣設備的設計者，在設計初始，就要考慮其設備的諧波污染度，將諧波限制在標準允許的范圍內(nèi)。?
（五）加強管理，多方出資，共同治理。
加強用電管理，堵住各種諧波的源頭，嚴格審批，對用戶有諧波源及可能產(chǎn)生危害的諧波源必須要求其治理，供電相關部門驗收合格后才可以申請入網(wǎng)。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門，要調(diào)動電力供需環(huán)節(jié)中的各個方面，在分清諧波來源基礎上，走共同治理之路。?
（六）安裝有源的諧波調(diào)節(jié)器。
在工作時注入一個電流來精確地補償由負荷產(chǎn)生的諧波電流，就會獲得一個純的正弦波。這種濾波設備的工作，靠數(shù)字信號處理(DSP)技術，控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。因為設備是與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作，它只控制諧波電流，基波電流并不流過濾波器，目前有源濾波器日益推廣應用。
五、結(jié)論
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行了量化限制，對用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進行了相應的規(guī)定，在主網(wǎng)、配網(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)對有關諧波的治理并未引起足夠的重視，認識還有待提高。在對諧波準確測量的基礎上，提出適合用戶的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個電網(wǎng)的電力品質(zhì)，同時也能延長用戶設備使用壽命，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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