低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及治理

發(fā)布日期：2018-01-17 來源：電氣瀏覽次數(shù)：754

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負(fù)荷應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益加重，因此諧波治理已成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。

一個理想的電力系統(tǒng)應(yīng)該具備一個恒定的頻率和恒定的正弦波形，并按照特定的電壓標(biāo)準(zhǔn)向電網(wǎng)及電力用戶提供相對比較理想的電源。電能質(zhì)量一般由電源的頻率、電源的幅值和電源的波形畸變來體現(xiàn)。

發(fā)電廠調(diào)節(jié)并控制電力系統(tǒng)的振幅和頻率，非線性負(fù)荷引起波形畸變。對于電阻，電阻加熱絲，磁感應(yīng)，白熾燈等這些傳統(tǒng)線性負(fù)荷，其電流波形為正常的正弦波。而對于家用視聽設(shè)備，電視機(jī)，電氣設(shè)備，焊接設(shè)備，復(fù)印機(jī)，逆變器、中頻電爐、超聲波裝置、計算機(jī)，通信設(shè)備，變頻器，冷軋鋼機(jī)、充電電氣設(shè)備，變頻空調(diào)，電動機(jī)、熒光燈，不間斷電源等這些非線性負(fù)荷，其電流波形為非正常的正弦波。

由于電網(wǎng)及電力用戶中存在著這些非線性負(fù)荷，導(dǎo)致了大量諧波的產(chǎn)生，而大量諧波的產(chǎn)生不僅危害著電能質(zhì)量、而且危害著電力用戶。諧波的存在使得電網(wǎng)電壓降低，線路損耗增加，造成電網(wǎng)容量的浪費；諧波的存在使得設(shè)備的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致各類自動及保護(hù)裝置誤動作；諧波的存在使得電動機(jī)效率降低，增大了電動機(jī)的工作噪聲；諧波的存在使得電力變壓器的鐵損及銅損增加，影響著電力變壓器的使用效率，縮短了電力變壓器的使用壽命；因此諧波的治理刻不容緩。

產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備、電子設(shè)備在當(dāng)今社會應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如：中頻電爐，超聲波裝置，家用視聽設(shè)備，電力電容器，電視機(jī)，電氣設(shè)備，焊接設(shè)備，復(fù)印機(jī)，逆變器、計算機(jī)，通信設(shè)備，變頻器，充電電氣設(shè)備，變頻空調(diào)，電動機(jī)、熒光燈，不間斷電源等電氣設(shè)備。

這些電氣設(shè)備具有明顯的非線性特性，工作時都會產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓，當(dāng)此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值，則將會危害電力用戶和電網(wǎng)。

諧波對電力系統(tǒng)的危害是比較嚴(yán)重的，主要體現(xiàn)在：

（1）部分供電線路的損耗由諧波引起。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的損失和浪費；諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導(dǎo)體絕緣，同時高頻諧波可能造成集膚效應(yīng)降低電纜的載流能力。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波電流的存在導(dǎo)致電力變壓器產(chǎn)生附加的損耗，從而引起過載、過熱，加速了絕緣介質(zhì)的老化，導(dǎo)致絕緣損壞。正序和負(fù)序諧波電流在旋轉(zhuǎn)電動機(jī)定子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場，導(dǎo)致電動機(jī)效率降低，發(fā)熱增加。

而正序和負(fù)序諧波電流在同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場，造成局部發(fā)熱，縮短其使用壽命。

（3）諧波電流不但會使電子電氣設(shè)備出現(xiàn)較大的誤差，甚至引起電子電氣設(shè)備的失靈。諧波電流及諧波電壓影響通訊及通信設(shè)備一般通過磁感應(yīng)、電容耦合、電感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)等方式, 磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)、電感應(yīng)及電容耦合等方式對低頻信號影響更大。

例如變流器等電氣設(shè)備在換相時注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率，甚至可以達(dá)到1MHz，這些諧波頻率將會影響通信設(shè)備、通信線路的正常工作，從而導(dǎo)致通信系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。

（4）使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。對諧波頻率比較敏感的電力電容器,因其自身的容性阻抗特性，以及頻率與容抗成反比的特性,使得諧波電流容易被電力電容器吸收從而引起電容器發(fā)熱過載。

此外，基波電壓與諧波電壓疊加時使電壓波形增多了起伏，傾向于增多每個周期中局部放電的次數(shù)，相應(yīng)地增加了每個周期中局部放電次數(shù)的功率，使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。

當(dāng)諧波電壓超過連接點處的限值，諧波源的自然功率因數(shù)較高（如核磁共振機(jī)、變頻調(diào)速器等電氣設(shè)備），非線性負(fù)荷的諧波電流較大，諧波波頻較寬（如大功率電氣設(shè)備）時，諧波按下列原則進(jìn)行治理：

（1）采用專用配電回路或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姡?/span>

（2）當(dāng)非線性負(fù)荷容量占配電變壓器容量的比例較大，設(shè)備的自然功率因數(shù)較高時，應(yīng)在變壓器低壓配電母線側(cè)集中裝設(shè)有源電力濾波器；

（3）當(dāng)配電變壓器僅為少數(shù)重要的非線性設(shè)備提供電源時，宜采取就地裝設(shè)有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設(shè)備對每臺產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備進(jìn)行抑制及治理；

選擇合理的供電和配電系統(tǒng)應(yīng)按照以下原則進(jìn)行配置：將線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷的供電電源有效的進(jìn)行隔離；盡可能的將非線性負(fù)荷設(shè)置在電源端；由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電。

（1）對于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設(shè)備（醫(yī)療建筑中的核磁共振機(jī)、CT機(jī)、X光機(jī)加速器治療機(jī)、整流裝置、變頻、大型計算機(jī)系統(tǒng)等諧波源）應(yīng)采用專路供電。

（2）合理配置諧波源，同一段母線上宜接具備互補功能的諧波源設(shè)備，從而達(dá)到互相抵消諧波的目的。

（3）將單相負(fù)荷、兩相負(fù)荷等不對稱負(fù)荷分散接到不同的供電點上或均勻合理的分配到各相，從而改善三相不平衡度，達(dá)到抑制和治理諧波的目的。三相不平衡引起電壓不平衡，而不平衡的電壓將導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流（非特征諧波）。

由此可見，三相平衡具有一定的抑制諧波的作用。Dyn11型結(jié)線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性，在進(jìn)行電力變壓器選擇時，Dyn11可作為首選。

對容量較大，頻譜特性復(fù)雜，自然功率因數(shù)較低，負(fù)荷比較穩(wěn)定，3、5、7次諧波含量高的諧波源，抑制此類諧波源可采用有源與無源電力濾波器共同來完成。無源電力濾波器是由濾波電容器、電阻器和電抗器適當(dāng)組合而成。

它包括三種基本形式：并聯(lián)濾波、串聯(lián)濾波和低通濾波。并聯(lián)濾波同諧波源并聯(lián)，不但具有濾波作用，而且還有無功補償?shù)淖饔?；串?lián)濾波主要適用于三次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，只能補償固定頻率的諧波，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使無源電力濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補償，其補償特性不受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，無諧波放大的危險。

電力系統(tǒng)的諧波干擾包括系統(tǒng)外部諧波干擾和系統(tǒng)內(nèi)部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統(tǒng)外部，應(yīng)盡可能的避免串聯(lián)諧振的發(fā)生；以5次和7次為主的諧波干擾，應(yīng)避免串聯(lián)諧振發(fā)生；諧波干擾屬于電力系統(tǒng)內(nèi)部的，應(yīng)以抑制和濾除為主。

為抑制及治理諧波源在工程設(shè)計中經(jīng)常采用無功功率補償電力電容器組串聯(lián)電力電抗器的方案，電力系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波的頻率高于L-C串聯(lián)支路的諧振頻率，可有效避免系統(tǒng)諧波放大效應(yīng)。

依據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率選擇應(yīng)根據(jù)電容參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)經(jīng)相關(guān)計算分析來綜合考慮確定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率取值范圍應(yīng)滿足下列要求：用于限制諧波時，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電力電容器電氣設(shè)備接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測量值進(jìn)行選擇。

當(dāng)諧波為3次及以上時，電抗率取值應(yīng)在12．0%左右，亦可采取4.5%-5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式；當(dāng)諧波為5次及以上時，電抗率取值應(yīng)在4.5%~5.0%區(qū)間；僅用于抑制涌流時，電抗率取值應(yīng)在0.1%～1.0%區(qū)間。

諧波隔離抑制裝置應(yīng)裝設(shè)在用電設(shè)備前。配電線路上的變頻設(shè)備，應(yīng)靠近被控設(shè)備安裝。將敏感信息技術(shù)電氣設(shè)備置于干擾源附近（如不間斷電源、家用視聽設(shè)備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等）不合適。

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