淺談電網(wǎng)諧波

1 引言

　　在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的今天，用電負(fù)荷日益增加種類各異，尤其是采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因具有流程控制方便，節(jié)能效果明顯，維護(hù)簡單，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)，而被越來越多的應(yīng)用。無論是哪種變頻器，在變頻過程中都會(huì)使它的輸入、輸出端產(chǎn)生高次諧波，輸入端的諧波會(huì)通過輸入電源線對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響，輸出端的諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)等負(fù)載產(chǎn)生很大負(fù)面影響，由此電網(wǎng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下產(chǎn)生越來越多諧波。諧波都來自何處、都有何影響、怎樣檢測(cè)、怎樣抑制等成為我們今天關(guān)注的問題。

　　2 諧波源

　　諧波產(chǎn)生來自各種諧波源，所謂“諧波源”通常是指各種特定的用電設(shè)備，即非線性用電設(shè)備或非線性電力負(fù)荷。其中電網(wǎng)中電力電子設(shè)備占主要成份，大量的變壓器群、鐵芯電抗器、電弧爐、變頻驅(qū)動(dòng)或晶閘管整流直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、重要負(fù)載所用的不間斷電源(ups) 、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)、家用電器和電子設(shè)備都是諧波源，這些非線性負(fù)載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設(shè)備故障, 嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)火災(zāi)事故等。

　　3 諧波危害

　　當(dāng)電力電子裝備容量達(dá)到所接電網(wǎng)短路容量的0.3至0.5倍以上時(shí)，或電網(wǎng)參數(shù)引起較低諧波次數(shù)的諧波諧振時(shí)，可能在某一范圍內(nèi)易引起“諧波不穩(wěn)定”。5、7次諧波含量占總諧波量比重較大，其中5次諧波含量占諧波總含量的45％，有甚高達(dá)80％。諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾方面：

　　(1)高次諧波電流在電機(jī)變壓器上的集膚效應(yīng)嚴(yán)重時(shí)容易引起局部高溫造成絕緣損壞，諧波含量較低時(shí)增加變壓器銅損比例。

　　(2)由于諧波電流和基波磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生不良的機(jī)械振動(dòng)，加速軸和軸承疲勞縮短壽命，也會(huì)增大變壓器噪聲。

　　(3)對(duì)于承受較大諧波的電動(dòng)機(jī)諧波軸電壓容易擊穿軸承潤滑油膜，造成放電損壞軸承。

　　(4)電網(wǎng)中的大量3次諧波造成電力電容器很快“鼓肚”和“放炮”而退出運(yùn)行，3次諧波流過中線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

　　(5)在一定條件下，電力電子設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的瞬間尖刺電壓是影響電力電纜局部放電和壽命的重要原因，造成電纜絕緣故障擊穿而損壞。

　　(6)諧波還可能導(dǎo)致保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)。

　　(7)諧波信號(hào)具備頻率高、能量大能夠存在電容耦合、電磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)等特點(diǎn)，對(duì)通信產(chǎn)生不可避免的干擾。

　　(8)諧波超標(biāo)易損壞電子原器件或縮短電子原器件壽命。

　　(9)諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起其它嚴(yán)重事故。

　　4 國家標(biāo)準(zhǔn)

　　gb／t14549-93《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》如表1。

　　表2為注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值。

表1 電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)

表2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

　　5 諧波測(cè)量

　　上述諧波的危害，使它成為*價(jià)電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，有必要時(shí)在電網(wǎng)日常運(yùn)行中加以檢測(cè)和監(jiān)測(cè)。由于電網(wǎng)諧波問題的復(fù)雜性，采用一定的理論計(jì)算，很難準(zhǔn)確反映電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用實(shí)測(cè)電網(wǎng)諧波的干擾，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和高質(zhì)量供電。

　　目前，從儀器性能和測(cè)試目的可分為：諧波檢測(cè)儀報(bào)警儀、諧波頻譜分析儀、電能質(zhì)量綜合分析儀。發(fā)達(dá)國家在研制和使用諧波分析儀方面較先進(jìn)，儀器功能齊全、測(cè)量范圍廣，使用方便可靠，價(jià)格較高。而國產(chǎn)儀器性能方面尚較差，數(shù)據(jù)采集方面也不太理想，但價(jià)格較低。如：國產(chǎn)dxj系列諧波檢測(cè)儀、美國fluke電能質(zhì)量分析儀、日產(chǎn)數(shù)字型電能分析儀、國產(chǎn)gxf系列諧波頻譜分析儀等。

　　6 諧波治理

　　抑制諧波危害主要是對(duì)諧波源本身和在傳播路徑上采取措施。基本思路：一是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，二是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其少產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，三是在市電網(wǎng)絡(luò)中采用適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种浦C波，具體方法有以下幾種：

　　6.1 抑制諧波所采用的措施

　　(1)選用電力電子設(shè)備時(shí)，盡量選脈動(dòng)數(shù)較大為宜或利用有一定移相角的換流變壓器。12相脈沖整流

　　thdv大約為10%-15%，18相脈沖整流的thdv約為3%-8%，缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，價(jià)格較高；

　　(2)不能對(duì)設(shè)備本體改進(jìn)時(shí)，可采用在諧波源附近處安裝有源電力濾波器來吸收諧波電流的方法比較先進(jìn)，但補(bǔ)償容量較小，造價(jià)較高；

　　(3)具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則分散或交錯(cuò)使用，適當(dāng)限制諧波量大的工作方式；

　　(4)在用戶進(jìn)線處加串聯(lián)電抗器，以增大和電氣系統(tǒng)的電氣距離，減小諧波的相互影響；

　　(5)從電源電壓、線路阻抗、負(fù)載特性等方面找出不平衡原因，改善電源三相不平衡度；

　　(6)加裝無功功率補(bǔ)償裝置，抑制電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡；

　　(7)增大供電電源容量，減小諧波含量；

　　(8)改進(jìn)設(shè)備或裝置性能提高用電設(shè)備的抗干擾能力；

　　(9)信號(hào)線與動(dòng)力線分開配線，盡量使用雙絞線降低共模干擾；

　　(10)在使用通訊電子控制系統(tǒng)中，在編制軟件的時(shí)候適當(dāng)增加對(duì)檢測(cè)信號(hào)和輸出控制部分的軟件濾波，以增強(qiáng)系統(tǒng)自身的抗干擾能力。

　　安裝濾無源電力波器方式簡單，體積小、無功補(bǔ)償效果良好，適合于穩(wěn)態(tài)諧波場(chǎng)所。并聯(lián)安裝有源濾波器自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流及濾波器與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓畸變，輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補(bǔ)償諧波的作用。動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)時(shí)間短(15μs)，三相補(bǔ)償諧波電流低的功率損耗（小于設(shè)備額定功率的3%），適合于暫態(tài)諧波或諧波成份復(fù)雜，變化較快，隨機(jī)性較強(qiáng)的場(chǎng)所。

　　6.2 運(yùn)用實(shí)例

　　目前工廠廣泛采用變頻調(diào)速，大多是6脈沖觸發(fā)變頻器，5次諧波含量較高。我廠有一臺(tái)980kw／690v三相異步電動(dòng)機(jī)由西門子6脈沖變頻器傳動(dòng)調(diào)速。在變頻器輸入端并聯(lián)安裝諾基亞一臺(tái)無源電力濾波器，設(shè)計(jì)主要吸收變頻器產(chǎn)生的5次諧波。投用前5次諧波畸變率28.8%，投用后變成1.7%，補(bǔ)償率超過90%?；鞠到y(tǒng)的5次諧波干擾，延長元器件的使用壽命。無源濾波器結(jié)構(gòu)中的電容器提高線路末端功率因數(shù)達(dá)到100%，節(jié)約電能統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示投入后比投入前月節(jié)電8000余度，贏得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　7 結(jié)束語

　　諧波給公用電網(wǎng)帶來了一定程度的破壞，成為電網(wǎng)污染源之一，當(dāng)前使用的各種方法都有一定的弊端，所以，分析和研究怎樣抑制諧波還將成為一個(gè)非常重要的課題。