鄭立祥

（福建遠(yuǎn)恩智能技術(shù)有限公司，福建 福州 350000）

1 低壓配電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因

人們生活中所使用的電器設(shè)備、大功率的焊接設(shè)備、通信設(shè)備以及信息設(shè)備等非線(xiàn)性負(fù)荷的電流波形為非標(biāo)準(zhǔn)正弦波。大多數(shù)成熟配電網(wǎng)和電力用戶(hù)中都存在非線(xiàn)性負(fù)荷，也由此而產(chǎn)生了大量的諧波，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。諧波的存在會(huì)使低壓配電系統(tǒng)和電網(wǎng)電壓發(fā)生偏差現(xiàn)象，導(dǎo)致配電系統(tǒng)線(xiàn)路損耗增加。很多非線(xiàn)性電氣設(shè)備是從電網(wǎng)中取用非正弦電流，即使電源供給正弦波形電壓，但由于設(shè)備具有其電流不隨著電壓變化的非線(xiàn)性電壓和電流特征，使得流過(guò)電網(wǎng)的電流是非正弦波形。諧波的產(chǎn)生也會(huì)對(duì)電力設(shè)備的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致低壓配電自動(dòng)系統(tǒng)和保護(hù)設(shè)施的誤動(dòng)。大量諧波進(jìn)入電網(wǎng)后，電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降疊加在電網(wǎng)基波上，由此引發(fā)電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質(zhì)量變差。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì)影響電網(wǎng)自身以及用電設(shè)備的運(yùn)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(tǒng)設(shè)備的使用壽命，對(duì)整個(gè)低壓配電系統(tǒng)帶來(lái)極大的損害[1]。

2 低壓配電系統(tǒng)諧波的表現(xiàn)形式

諧波表現(xiàn)研究的有效方法通常是通過(guò)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(guò)計(jì)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(xiàn)出較大的有效值[2]。目前能夠產(chǎn)生影響配電系統(tǒng)諧波的電氣設(shè)備在人們的生活中普遍存在，如大多數(shù)城市的商業(yè)中心和酒店等服務(wù)性場(chǎng)所中所使用的空調(diào)機(jī)電氣設(shè)備，生產(chǎn)型企業(yè)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(shè)備都是具有代表性的非線(xiàn)性電氣設(shè)備，在運(yùn)行過(guò)程中電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到較高程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓。經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)諧波電流和諧波電壓超出低壓配電系統(tǒng)連接端的允許值和低壓配電網(wǎng)網(wǎng)間諧波電壓荷載值，對(duì)電力系統(tǒng)和電網(wǎng)帶來(lái)極大的影響和損耗。

3 諧波對(duì)測(cè)控關(guān)鍵設(shè)備的影響分析

3.1 典型的測(cè)控設(shè)備低壓配電系統(tǒng)

測(cè)控設(shè)備低壓配電系統(tǒng)一般采用雙回路供電模式，兩臺(tái)變壓器同時(shí)工作，互為熱備份。正常時(shí)母聯(lián)閉合，由其中一臺(tái)變壓器負(fù)責(zé)全部負(fù)載的供電，當(dāng)其檢修或故障時(shí)自動(dòng)切換另一臺(tái)變壓器進(jìn)行供電，從而保證測(cè)控設(shè)備的正常運(yùn)行。測(cè)控設(shè)備主要用電負(fù)荷包括照明、水冷、通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控以及伺服等。其測(cè)控設(shè)備低壓配電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如1所示。

圖1 測(cè)控設(shè)備低壓配電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.2 諧波對(duì)配電設(shè)備的影響

諧波不僅會(huì)縮短變壓器和配電線(xiàn)路等設(shè)備的使用壽命，而且會(huì)導(dǎo)致發(fā)生電氣安全事故，還可能導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作或不動(dòng)作，這對(duì)于測(cè)控設(shè)備來(lái)講是絕對(duì)不允許的。

3.2.1 對(duì)變壓器的影響

對(duì)變壓器來(lái)講，諧波電流主要是增加其銅損和雜散損耗。測(cè)控系統(tǒng)電源設(shè)備的變壓器通常采用的是Y_yno型接線(xiàn)，副邊沒(méi)有諧波通路，一旦受到諧波影響，變壓器輸出將會(huì)產(chǎn)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(shè)備的運(yùn)行壓力，直接影響變壓器的使用效率和內(nèi)部穩(wěn)定[3]。同時(shí)，當(dāng)高次諧波通過(guò)變壓器時(shí)，還會(huì)引起變壓器發(fā)熱，產(chǎn)生很?chē)?yán)重的噪聲。設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間在這種諧波狀態(tài)中運(yùn)行，將會(huì)加速老化，降低絕緣性能，縮短壽命，并且還有可能發(fā)生一些不可預(yù)知的安全事故。

3.2.2 對(duì)輸電電纜的影響

對(duì)于測(cè)控設(shè)備電源來(lái)講，一般都是電纜傳輸。當(dāng)諧波電流通過(guò)電纜時(shí)，將會(huì)使電纜的介質(zhì)損耗增加，泄漏電流上升，無(wú)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(shí)，由于電纜的分布電容對(duì)諧波電流有一定的放大作用，因此在用電負(fù)載處于低谷時(shí)系統(tǒng)電壓上升，諧波電壓也會(huì)跟著相應(yīng)升高。電纜的額定電壓等級(jí)越高，諧波引起介質(zhì)不穩(wěn)定的危險(xiǎn)系數(shù)就越高，更容易發(fā)生事故。

3.2.3 對(duì)零線(xiàn)的影響

零線(xiàn)也稱(chēng)為中性線(xiàn)，測(cè)控設(shè)備的輸電線(xiàn)路一般采用三相四線(xiàn)制。三相線(xiàn)電流的矢量和就是零線(xiàn)的電流，是一種比較小的不平衡電流，通常其數(shù)值都不是很大。由于測(cè)控設(shè)備存在很多的非線(xiàn)性負(fù)荷，其必然會(huì)產(chǎn)生一定的諧波電流，而諧波電流又以3次諧波最為嚴(yán)重，這些諧波電流會(huì)在零線(xiàn)上累積，從而增加零線(xiàn)上的電流，破壞系統(tǒng)的平衡，不但增加了系統(tǒng)的損耗，而且還會(huì)使零線(xiàn)過(guò)載過(guò)熱，這對(duì)配電系統(tǒng)來(lái)講是十分危險(xiǎn)的。零線(xiàn)斷路或燒毀時(shí)，輕則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)跳閘，嚴(yán)重會(huì)沖擊整個(gè)測(cè)控設(shè)備，甚至損毀。

3.2.4 諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響

測(cè)控設(shè)備屬于高度集成的自動(dòng)化和信息化設(shè)備，其內(nèi)部存在很多電磁式繼電器、整流型繼電器以及微機(jī)型整流器等各種自動(dòng)裝置。一旦測(cè)控設(shè)備的輸入電源含有諧波分量，就會(huì)引起這些繼電器動(dòng)作特性發(fā)生畸變或動(dòng)作效果下降，從而導(dǎo)致保護(hù)裝置的誤動(dòng)作和拒動(dòng)作，造成設(shè)備的瞬間癱瘓或不聽(tīng)指揮，無(wú)法完成跟蹤測(cè)量任務(wù)，導(dǎo)致造成嚴(yán)重后果。

3.3 諧波對(duì)通信傳輸?shù)挠绊?/h3>

諧波對(duì)通信系統(tǒng)的影響一直是一個(gè)被行業(yè)十分重視的問(wèn)題。眾所周知，電流周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)通信線(xiàn)路與輸電線(xiàn)中的諧波產(chǎn)生了能量上的交換時(shí)，會(huì)引起電磁干擾，造成通信信號(hào)失真，伴隨著很強(qiáng)的噪聲，降低通話(huà)的清晰度。目前，在實(shí)際工作中，由于各種客觀原因或出于經(jīng)濟(jì)考慮，部分電纜和通信線(xiàn)纜往往并排敷設(shè)，這樣配電網(wǎng)中的諧波分量必然會(huì)干擾通信信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起信號(hào)丟失，大大影響測(cè)控設(shè)備的跟蹤精度和相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸。

4 低壓配電系統(tǒng)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(tǒng)的重要點(diǎn)位根據(jù)設(shè)備對(duì)諧波的抗干擾程度設(shè)置的動(dòng)態(tài)有源濾波器，是一種主動(dòng)式的濾波裝置。近年來(lái)，以IGBT技術(shù)為代表的有源濾波技術(shù)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用在配電系統(tǒng)中，其原理為通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理和脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)檢測(cè)到的諧波分量進(jìn)行傅里葉分析，通過(guò)控制IGBT的觸發(fā)將反向電流注入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諧波濾除和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率。其優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)系統(tǒng)的諧波變換實(shí)時(shí)的進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且不受系統(tǒng)阻抗的影響，清除效果比較好，保證了系統(tǒng)安全，同時(shí)提高負(fù)荷功率，減少變壓器的安裝容量。缺點(diǎn)則是運(yùn)行時(shí)損耗大，成本高，而且增加了系統(tǒng)的容性無(wú)功功率，無(wú)法控制變電站和配電系統(tǒng)連接處的功率因數(shù)。

目前，常用的有源電力濾波器包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種。二者治理諧波的方向不同，其中串聯(lián)型裝置在治理諧波電壓?jiǎn)栴}時(shí)較為適用，而并聯(lián)裝置在治理諧波電流問(wèn)題時(shí)較為適用。二者具有大致相同的諧波治理原理，并聯(lián)裝置在檢測(cè)負(fù)載電流時(shí)，會(huì)通過(guò)使用計(jì)算方法計(jì)算諧波電流，然后向電網(wǎng)注入與計(jì)算結(jié)果相同的電流，從而實(shí)現(xiàn)治理諧波電流的目的。有源電力濾波器的優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾點(diǎn)，首先有非?？斓南鄳?yīng)速度，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)負(fù)荷諧波量的變化進(jìn)行響應(yīng)，可以對(duì)大部分情況下的補(bǔ)償需要進(jìn)行滿(mǎn)足。其次系統(tǒng)阻抗不會(huì)對(duì)其運(yùn)行造成干擾，具有十分穩(wěn)定的補(bǔ)償能力。再次很少與系統(tǒng)發(fā)生諧振。最后具有靈活的補(bǔ)償方式，不僅可以補(bǔ)償變化的諧波，還能補(bǔ)償變化的無(wú)功功率。

4.2 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器又被稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器，屬于一種集電容、電阻以及電感于一體經(jīng)設(shè)計(jì)而構(gòu)成的濾波設(shè)備，可以濾除一次或多次諧波。串聯(lián)電感和電容的結(jié)構(gòu)是最常用的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用電容電阻固有的阻抗特性，可以根據(jù)不同的諧波頻率提供不同的阻抗通道，這樣一來(lái)，就會(huì)與電網(wǎng)阻抗形成分流的關(guān)系。濾波器也因此成了特定頻率諧波的流入目的地，以此達(dá)成治理諧波的目的。這種治理方式具有使用方式簡(jiǎn)單且成本低廉的優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)，也存在一些不足，具體表現(xiàn)為無(wú)源濾波器在系統(tǒng)阻抗的影響下，其濾波效果會(huì)不斷下降，很難達(dá)成預(yù)期的治理目的。再加上無(wú)源元件容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生作用，導(dǎo)致發(fā)生諧振，而諧波在諧振的作用下被放大，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

通過(guò)上述分析可知，無(wú)源濾波器在治理諧波時(shí)，可能會(huì)與低壓配電系統(tǒng)產(chǎn)生其他作用，不利于低壓配電系統(tǒng)的安全，而有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)特性顯著，通過(guò)有效把控注入電流能夠避免系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償問(wèn)題。因此有源與無(wú)源濾波器相比，其優(yōu)勢(shì)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(bǔ)償、就地補(bǔ)償以及支路補(bǔ)償3種，以下詳細(xì)介紹集中補(bǔ)償方式和就地補(bǔ)償方式。

5.1 集中補(bǔ)償方式

集中補(bǔ)償方式就是將諧波補(bǔ)償裝置加裝到用戶(hù)用電系統(tǒng)和電網(wǎng)連接點(diǎn)處。通常情況下，變壓器低壓側(cè)是主要安裝位置。以某項(xiàng)目為例，分析其應(yīng)用效果。

項(xiàng)目案例為在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，單晶硅這種高科技資源受到了人們的高度關(guān)注，其生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)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(shè)備不同，但均采用了半導(dǎo)體可控整流方式，因此在實(shí)際加熱過(guò)程中產(chǎn)生的諧波數(shù)量巨大，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染不容忽視。在這些諧波的影響下，電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備很難發(fā)揮作用，系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償也受到了影響，導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)在供電過(guò)程中，損失了大量的電能。

其對(duì)應(yīng)的治理方案為通過(guò)工作人員了解諧波產(chǎn)生的原因，然后通過(guò)使用集中補(bǔ)償方式，在補(bǔ)償和負(fù)載之間安裝有源濾波器，以實(shí)現(xiàn)完全濾除系統(tǒng)諧波的目的。此外，在諧波完全濾除后，無(wú)功補(bǔ)償裝置正常工作，保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量。通過(guò)合理使用有源電力濾波器，改善了低壓配電系統(tǒng)的質(zhì)量，使諧波得到了有效治理。

5.2 就地補(bǔ)償方式

就地補(bǔ)償方式是指在諧波源交流進(jìn)線(xiàn)處安裝濾波器，然后利用濾波器的就近補(bǔ)償諧波濾除低壓配電系統(tǒng)中的諧波，以保證系統(tǒng)的安全。本文以某項(xiàng)目為例，分析治理方案。

項(xiàng)目案例為某服裝加工廠應(yīng)用了大容量的電腦織機(jī)和UPS等主要負(fù)載。由于UPS屬于非線(xiàn)性負(fù)載，因此在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)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(tǒng)。

其對(duì)應(yīng)的治理方案為技術(shù)人員通過(guò)試驗(yàn)的方式，明確了諧波出現(xiàn)的原因，從而采用就地補(bǔ)償方式濾除諧波。應(yīng)用就地補(bǔ)償方式后，諧波由28.9%下降到了7%，諧波濾除率高達(dá)75%以上。

6 結(jié) 論

諧波的產(chǎn)生與科學(xué)研究設(shè)備、人們生活用電子設(shè)備以及電氣設(shè)備的大量使用有關(guān)，為低壓配電系統(tǒng)帶來(lái)了影響。諧波的治理和抑制需要電力企業(yè)和城市電網(wǎng)的不斷更新和低壓配電系統(tǒng)設(shè)備的研究與技術(shù)性替換，跟據(jù)供電結(jié)構(gòu)和設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況，選擇具體有效且科學(xué)合理的諧波治理方法，從而不斷提高配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)控設(shè)備的絕對(duì)安全。