陸德琳 浙江省富陽市供電局設(shè)計(jì)室
[摘 要]本文分析了電力系統(tǒng)諧波出現(xiàn)的原因，提出了一些治理諧波的基本方法，同時(shí)介紹一些單位取得成功的經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)了電力用戶對(duì)整流設(shè)備的選擇。
[關(guān)鍵詞] 非線性負(fù)荷、諧波分量、整流設(shè)備、開關(guān)電源設(shè)備、濾波器
引言
電能質(zhì)量的好壞，直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，評(píng)價(jià)電能質(zhì)量有三方面標(biāo)準(zhǔn)。首先是電壓方面，它包含電壓的波動(dòng)、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動(dòng)；最后是電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對(duì)稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量的三方面都有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運(yùn)，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行，造成了這些裝置的誤動(dòng)與拒動(dòng)，直接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。舉個(gè)常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運(yùn)行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長(zhǎng)。但是相反，在大量投運(yùn)節(jié)能燈后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負(fù)荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，造成三相負(fù)荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比
：1要小得多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設(shè)備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其使用壽命。因此我們對(duì)非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須進(jìn)行治理，使諧波分量不超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
一、電力系統(tǒng)中諧波的來源
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國(guó)應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。
對(duì)于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10％以上時(shí)，由于電機(jī)的磁飽和，會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7％以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國(guó)家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。
為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：
- 電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。
- 交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。
- 交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。
- 開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。
這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：
電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì)有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性（如圖所示）。
此外，弧電流的波形還有一定的非對(duì)稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實(shí)電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時(shí)電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時(shí)率就更小了，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響比較小，但在當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時(shí)，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。
交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零(如圖圖所示)。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。
交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波(如圖所示)。
雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。
開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級(jí)電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會(huì)通過配變污染到10kV電網(wǎng)。
二、諧波治理的基本方法
目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應(yīng)該在非線性用電設(shè)備處分散治理。但對(duì)于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設(shè)備，則只能進(jìn)行集中治理。
1、減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離。也就是減少系統(tǒng)阻抗，換句話說就是提高供電電壓等級(jí)。例如，在麗水電業(yè)局的遂昌鋼廠就取得了不錯(cuò)效果，該鋼廠原是用35kV供電，由兩個(gè)110kV變電所各架設(shè)一回35kV專線供電，而它的主要用電設(shè)備是電弧爐，雖然進(jìn)行了五次、七次諧波治理，但在110kV的35kV母線上測(cè)得諧波分量仍接近或稍超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但在麗水局在遂昌新建了一個(gè)220kV變電所而且離該鋼廠僅4km左右，用5回35kV專線供電，使35kV母線的諧波分量控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，此外該廠還使用了較大容量的同步發(fā)電機(jī)，使這些非線性負(fù)荷的電氣距離大大下降，使該廠生產(chǎn)的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害性下降，這種方法投資是最大的，往往需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。
2、諧波的隔離。非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級(jí)電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器后，還會(huì)影響到上幾級(jí)電網(wǎng)。如何把這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響或少影響其他幾級(jí)電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。這一方法在電網(wǎng)中廣泛采用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過Y/△、Y0/△、Y0/Y等接線組別的變壓器，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三次、九次等零序分量的諧波與上級(jí)電網(wǎng)隔離開來，因此在110kV以上高壓電網(wǎng)上，三、九次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數(shù)配變?yōu)閅/Y0接線，35kV也有少量Y/Y0接線的直配變，因此在10kV和35kV系統(tǒng)中三、九次諧波分量會(huì)比高壓電網(wǎng)大。為了減少低壓對(duì)10kV電網(wǎng)的影響，我局現(xiàn)在10kV配電系統(tǒng)中推廣使用了D，yn11接線組別的配電變壓器，有效的減少了三、九次諧波的影響。
3、安裝濾波器。目前對(duì)變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。
有源濾波器的基本工作原理是把電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，這是諧波治理的發(fā)展方向。目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高，而且成本很高，因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技術(shù)一定會(huì)在諧波治理上占主導(dǎo)地位的。
無源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè)出口處，從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá)到對(duì)該次諧波治理的目的。串聯(lián)無源濾波器多用于對(duì)五、七、十一次諧波治理中，而且往往同時(shí)采用兩組以上濾波器，諧振在五、七次，同時(shí)起補(bǔ)償電容器組的作用。目前，在電力行業(yè)中，它多用于35kV和110kV變電所的10kV母線上，兩組濾波器中的電容器容量大于變電所無功補(bǔ)償容量，串聯(lián)電感后，諧振在五、七次諧波頻率中，使無源濾波器一物二用，具體計(jì)算公式如下：
當(dāng)無源濾波器中，L、C串聯(lián)諧振在n次諧波頻率時(shí)，
。
電容器和電感在工頻時(shí)的參數(shù)：
Xc＝n2XL得，當(dāng)n＝5時(shí)，Xc＝52XL＝25XL
Uc＝1.04U，Qc＝1.04QLC
當(dāng)n＝7時(shí)，Xc＝72XL＝49XL，Uc＝1.02U，Qc＝1.02QLC
一般在電容器無串聯(lián)電感時(shí)，電網(wǎng)額定電壓為10kV，變壓所母線電壓在10.5kV以上，電容器額定電壓多選用11kV/。因此，用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11.5kV/或12kV/，用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11kV/。
但是由于計(jì)算精度和電容器、電感器的制造精度等原因，若按計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)來配備，在標(biāo)準(zhǔn)化審查時(shí)就通不過，為了保證串聯(lián)濾波器能在五、七次諧波頻率時(shí)諧振，我們要求電感有一定的調(diào)節(jié)范圍，從而確保濾波器能正常工作。具體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時(shí)，則認(rèn)為濾波器已調(diào)試成功。
三、諧波治理方法的總結(jié)和發(fā)展
在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對(duì)稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存在在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組別進(jìn)行隔離。而11、13次以上諧波由于其頻率比較高，而且輸電線路有一定電感量，對(duì)地又有一定電容量，相間及線間也有一定電容量。因此，高次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時(shí)高次諧波在電網(wǎng)中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對(duì)象。
在10kV配電系統(tǒng)中，配變多采用Y/Y0接線，Y0（400V）側(cè)由于有非線性用電設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生三、五、七……次諧波，五、七次諧波可以用串聯(lián)LC濾波器進(jìn)行治理，而對(duì)三次諧波往往采用并聯(lián)諧振使三次諧波在主變一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)線隔離，其原理如下：
當(dāng)L、C并聯(lián)諧振在三次諧波頻率時(shí)，三次諧波電流流不過主變二次側(cè)線圈，從而使主變一次側(cè)感應(yīng)不出三次諧波的電壓分量，同時(shí)使中性線三次諧波電流大大下降。
a、綜上所述，對(duì)于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下四種基本方法：
1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波。
2、采用L、C串聯(lián)無源濾波器，對(duì)五、七次諧波進(jìn)行治理。
例如，麗水局的110kV景寧變電所由于10kV負(fù)荷中，中頻爐占有較大比重，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，主導(dǎo)諧波為5、7，11，13，19，32，33，34，36，38次。補(bǔ)償電容器的投入后，對(duì)低次諧波有放大作用，10kV母線電壓畸變率由6％上升為8.5％，對(duì)高次諧波有一定濾波作用，而且電容投入運(yùn)行后，會(huì)使電容器端電壓升高，導(dǎo)致電容器損壞。目前，在一、二段母線上各加一組五次和七次濾波器（容量為200kVAR×18只 五次；200kVAR×12次 七次）后，不但使五、七次諧波有明顯壓制，而且提高了功率因素，使供電量增加、線損下降。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：
|
總諧波 |
3次諧波 |
5次諧波 |
7次諧波 |
11次諧波 |
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治理前 |
6.05 |
0.7 |
3.75 |
2.36 |
1.52 |
|
電容器投入 |
8.02 |
0.95 |
5.86 |
4.78 |
1.63 |
|
治理后 |
3.78 |
0.7 |
1.2 |
0.4 |
1.5 |
3、采用L、C并聯(lián)無源濾波器，對(duì)三次諧波電流進(jìn)行阻塞。
例如，本市中心醫(yī)院的外科大樓及門診樓引入新的進(jìn)口設(shè)備，由于低壓系統(tǒng)有三次諧波分量，造成新引入的醫(yī)療診斷設(shè)備不能正常運(yùn)作，醫(yī)院采用了L、C并聯(lián)無源濾波器，串接在變壓器中性點(diǎn)上，從而使三次諧波得到壓制，使醫(yī)療診斷設(shè)備能夠正常工作。
4、加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。
b、對(duì)于非線性用電設(shè)備的諧波治理方法有以下五種方法：
1、對(duì)電弧加熱用電設(shè)備，采用多相（六相、十二相等）電弧爐變壓器，從而使低次諧波分量下降，高次諧波分量上升。目前最常用的是Y/Y0、Δ/Y0兩變壓器分別接兩臺(tái)相同容量的電弧爐，并使兩爐同步作業(yè)，通過LC串聯(lián)無源濾波裝置進(jìn)行局部治理，達(dá)到用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不超標(biāo)。
2、對(duì)于交流整流直流用電設(shè)備采用多相整流。多相整流產(chǎn)生的諧波多為整流相數(shù)±1次，對(duì)12相整流設(shè)備，諧波分量最大是11次和13次，而對(duì)24相整流設(shè)備，則是23次和25次。諧波頻率越高，L、C串聯(lián)濾波器的投資越小，諧波在輸電線路中傳輸衰減越快。
3、開關(guān)電源設(shè)備諧波治理。工業(yè)用的典型設(shè)備是中頻爐，目前廣泛采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺(tái)變壓器初級(jí)并聯(lián)，帶兩臺(tái)相同容量中頻爐同步運(yùn)行，以提高整流時(shí)產(chǎn)生諧波的次數(shù)，在中頻變換中進(jìn)行L、C串聯(lián)吸收,以減少中頻諧波反射到電源側(cè)，其接線如下圖所示，
例如，浙江省青田縣特種鋼廠，引進(jìn)了美國(guó)生產(chǎn)的中頻爐，采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺(tái)變壓器分別接中頻爐，使其產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響明顯降低。
4、變頻器的諧波治理。在發(fā)達(dá)國(guó)家中是變頻器和變頻器諧波治理設(shè)備是配套供應(yīng)的，由于變頻器的設(shè)備價(jià)格和配套的變頻器諧波治理設(shè)備的價(jià)格相差不多，我國(guó)的好多用戶，往往只安裝變頻器，不安裝配套的諧波治理設(shè)備。隨著變頻技術(shù)的推廣，會(huì)使電網(wǎng)中的諧波影響加劇，因此希望用電管理部門做好用戶工作，做到變頻器與配套的諧波裝置二者同時(shí)設(shè)計(jì)，一起投運(yùn)。
5、用戶側(cè)多投一些同步電動(dòng)機(jī)，它一方面可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，減少電壓波動(dòng)及電壓閃變，另一方面它又能吸收一部分諧波電流，對(duì)諧波治理也有很大好處。例如，遂昌鋼廠，在同步電動(dòng)機(jī)全開時(shí)，110kV古市變和金溪變35kV母線的電壓，諧波分量基本能在允許范圍內(nèi)，如果同步機(jī)停運(yùn)，則這兩點(diǎn)的電壓諧波分量會(huì)超標(biāo)，因此用戶投入同步機(jī)對(duì)電網(wǎng)是有利的。
單相電焊機(jī)它是一個(gè)諧波源，在五十年代出現(xiàn)過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)。直流發(fā)電機(jī)提供電焊機(jī)電源，這也是一種諧波治理方法。在三十年代，上海的電車、電鍍都是用交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)來供電車和電鍍電源。但是在整流技術(shù)發(fā)展的今天，我們當(dāng)然不會(huì)使用這一落后的技術(shù)手段來治理諧波，而是采用價(jià)格低廉的無源濾波器。
在供電系統(tǒng)中進(jìn)行諧波治理有不少困難，非線性負(fù)荷不是24小時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行的，如電弧爐、中頻爐在出爐時(shí)會(huì)停運(yùn)，在熔化和冶煉過程中，出力又有變化，因此諧波是在變化的。所以采用一個(gè)或幾個(gè)固定的無源濾波器的投切，不可能和非線性負(fù)荷變動(dòng)進(jìn)行同步，而目前有源濾波器又不可能大力推廣。從技術(shù)上說，目前對(duì)諧波治理有一定難度，而且雖然串聯(lián)L、C無源濾波器對(duì)五、七次諧波起了治理作用，但是對(duì)某次諧波在某個(gè)條件下會(huì)起放大作用，從這一點(diǎn)來看，希望加強(qiáng)用電設(shè)備的治理工作。
在變電所補(bǔ)償設(shè)備中串入一定電感，可以使之成為五、七次諧波治理設(shè)備，同時(shí)還可以起到補(bǔ)償作用，以達(dá)到一物二用。但在設(shè)計(jì)方面則要請(qǐng)有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，在浙江省可以請(qǐng)浙江省電力試驗(yàn)研究所，他們?cè)谖濉⑵叽沃C波治理中已取得了很好的成果，在他們的指導(dǎo)下，各供電企業(yè)可以自己動(dòng)手，從小到大做一些諧波治理工作，解決一些諧波污染問題，這對(duì)各供電企業(yè)的自身提高是有幫助的。
