浅谈使用谐波滤波器提高配电质量

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【摘 要】文章通过对自动化设备配电系统谐波分析，从而提出自动化设备谐波解决方案，这对于使用谐波滤波器提高配电质量有一定的作用。

【关键词】谐波；滤波器；配电；质量

一、对自动化设备配电系统谐波分析

（1）用电需求情况。一是由于生产工艺上的要求，变频器设备在生产线设备上占有大量的比例，超过整个配电系统装机容量的25%。变频采用的是相位控制技术，在相位变换后会产生含复杂成分（整次或分次）的谐波。二是网络计算机技术等在电控系统中的广泛应用，也将造成多次谐波电流。三是荧光灯等照明设备的使用也会造成配电系统内的谐波电流。（2）存在的问题。首先，谐波来源。配电系统中的谐波主要来自两个方面：一是负载本身含有大量的谐波源，这些谐波源可以产生大量的谐波电流，通过线路阻抗，又可以致使系统电压中出现谐波电压；二是公用电网本身含有一定量的谐波电压，这部分谐波可以由网侧传输至配电系统。配电系统中的负载有以下特征：一是单相负载多。配电系统中，单相负载占到一半以上，而单相负载可以引起零序谐波，并能造成三相不平衡以及三相相差不对称等问题。二是非线性负载比例高。配电系统中的除了主要设备，还有个人电脑、复印机、通讯设备、照明设备。部分配电系统中还会有UPS、一次电源等负载，这些负载都是配电系统中的主要谐波源。三是谐波源谐波畸变率大。据测试，配电系统中的谐波源的谐波畸变率都较大，如个人电脑谐波电流畸变率为100%，UPS畸变率约为20%～30%，一次电源谐波电流畸变率通常为40%～50%。四是配电中的大多数智能化及自动化设备对供电电能质量要求较高，特别是对谐波敏感。其次，谐波危害。配电系统的谐波电压和谐波电流，对配电系统造成了极大的污染，不仅恶化了电网电能质量，并对各种用电设备也造成了一定的危害。谐波对配电系统的危害主要有两部分：一是对配电网络的危害。使变压器产生附加功率损耗、发热量增加以及产生脉冲转矩和噪声；加速绝缘线缆老化、发热量增加、寿命缩短。严重时使系统短路，发生配电故障甚至造成人身伤害；对断路器、熔断器、继电器等各类保护设备产生干扰，使其误动作或者举动作。二是对用电设备的危害。使照明设备缩短寿命，对白光光源的照明设备影响更大。美国IES照明手册明确指出，若谐波电压畸变率达到5%，则白炽灯寿命缩短47%；使电压表、电流表等各类电子测量设备测试误差增加；容易引发无功补偿设备的串联谐振或者并联谐振，引起电容器涨肚甚至爆炸、导致无功补偿设备无法投切、系统功率因数无法提高。

二、对自动化设备谐波解决方案

根据国家对配电系统的要求，也是出于对用电设备的保护，必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或供电系统中存在谐波且超标时，则需要设置滤波无功补偿装置。（1）滤波无功补偿。典型的谐波滤波器回路包含3种最为常见的谐波（5次、7次及11次）频率。每台滤波器包括一台电磁接触器、热继电器、电抗器和电容器。由控制器根据配电系统中所需补偿的无功功率控制其每个回路的投切，达到功率补偿和抑制谐波的效果。这需要对进行设计的低压配电系统中可产生谐波的负载进行统计，根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，设计出相应的滤波分支路装置。在具有谐波源的母线上，安装滤波电容器组的无功功率补偿，大部分谐波电流都流向滤波器，可吸收80%～90%谐波量，只有10%～20%的谐波量注入到上级电网，对系统产生的谐波电压很小。（2）调谐无功补偿。在没有谐波量限制的地方，可以使用调谐式电容器组，典型的调谐频率是204 Hz和189 Hz，分别与6%的电抗器和7%的电抗器相对应。与使用6%的电抗器相比，7%的电抗器通常允许连接更多的非线性负载。此种情况下，谐波的主要成分都注入到上级电网中去。所需的段数则取决于负载功率因数和目标功率因数。（3）实例。对于一个设有10kV高压配电所的企业，对其中某个变压器系统进行设计时，就要考虑其设备的谐波污染度，妥善的办法是让谐波源的变压器系统在低压侧对本地的谐波进行吸收，这样，也可保证全厂的配电安全和配电质量。因此，合理的设计模式就是采用变压器低压侧滤波无功功率补偿，设计中主要的程序如下：一是计算出变压器低压侧无功功率最大变动范围，按最大无功负荷配置无源滤波器的总功率（基波补偿功率）。二是估算出低压侧各次谐波的可能最大谐波电流，主要为5次、7次及11次谐波电流值。三是按各次谐波电流大小，确定电容器是否需要串联电抗器。四是将无功功率也按各次谐波电流相对大小分配在各次的单调谐滤波器上。实际安装投入使用后，谐波源所产生的谐波在变压器的低压侧被有效吸收，谐波电压畸变值只存在于非常低的范围内，不仅改善了低压侧的谐波和功率因数，也改善了全厂高压侧的谐波和功率因数。

目前，滤波无功功率补偿产品有众多品牌，高端产品有FRAKO等，拥有多种类型和组合形式可供选择，FRAKO甚至提供组装成型并经过严格测试的低压调谐电容补偿模块，可根据谐波次数、功率因数等参数选择直接安装在低压配电系统中，在谐波治理，改善供电质量中，具有较好的效果。