电力用户谐波分析与治理

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【摘要】简要分析了用户谐波产生的原因，并结合苏州市吴江地区现状，分析了谐波源的实际状况。分析了谐波在电力运行中的危害，并提出了治理谐波的措施。

【关键词】谐波；分析；治理

一、用户谐波产生的原因分析

电力系统的谐波是电力系统电压波形产生畸变的表征。谐波的产生来自于电力电子设备、非线性阻抗设备和其它方面的干扰。通过对吴江地区用户谐波源情况的调查，并对该地区负荷特性进行分析，吴江地区用户谐波源主要分为两种：一种是相对集中的较大谐波源，如金属冶炼等。对这类谐波源，由于用电负荷相对集中，供用电双方就谐波治理容易达成共识，也容易落实治理措施。另一种是分散的各类变频器。丝绸纺织行业是吴江地区的支柱产业，在近年来不断的技术改造中，其生产设备都采用了变频器。用变频器驱动的电动机系统，因其节能效果显著、调节方便、维护简单，被广泛应用。它把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电，以实现电机的变速运行。由于变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由非线性元件组成的，在开断过程中，其输入端和输出端都会产生高次谐波，谐波通过输入电源端对公用电网产生影响。虽然单台的谐波电流不大，但由于其数量多、总量大，谐波产生的干扰就不可低估；而且由于其点多面广，给治理工作带来了难度。例如吴江地区某公司为电缆生产配套企业，用户在2009年3月向我公司反映主变开关经常无故跳闸，造成停产，严重影响生产秩序，希望供电部门给予解决。我们对该用户进行分析，发现用户使用的主要用电设备为三部分：熔化炉、扎机、热处理炉，其中大功率轧机采用了意大利安赛尔多变频器（800kW一台、200kW二台），变频器采用大功率非线性元件为典型的谐波设备，是主要谐波源，很可能是造成无故跳闸的主要原因。所以我们对其进行了测试、分析，情况如下：

1、测试波形数据及说明

图1-1为0.4kV同类型变频器电流电压柱形图，可以看出谐波电流总畸变率超过27%，谐波电流主要分布在5、7次。图1-2为变频器进线侧A相电流电压波形图，可以看出电流波形由于变频器（非线性开关元件）的使用而产生了严重的畸变。

2、800kW一台和200kW二台变频器在0.4kV侧测量值、谐波电流理论计算值如下表（功率因数取0.9）

从上表可以看出大功率变频器在工作时，产生的大量谐波电流各次均不同程度超标。而该公司变压器开关为剩余电流断路器，配有脱扣器。由于大量谐波引起的零序电流之和大于断路器额定限值，脱扣器就会作用于开关跳闸，从而引起了该公司变压器开关的误动。剩余电流断路器在吴江地区被广泛采用，所以该公司的情况并不是特例，而是在整个吴江地区广泛存在的。这更体现了寻找一种适合于吴江地区谐波治理措施的必要性和迫切性。

下面我们来探讨一下谐波在电力运行中的危害和各种治理措施，并找出适合吴江地区采用的谐波治理措施。

二、谐波在电力运行中的危害

在实际的电力运行中，电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的误动作等都是有谐波引起的常见多发问题。下面我们来谈谈谐波对电力系统中各主要元器件的影响。

1、谐波对变压器的影响

谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力；谐波导致的噪声，会使变电所的噪声污染指数超标，影响工作人员的身心健康。

2、谐波对同步电机的影响

谐波对同步电机的影响是在发电机定子中产生集肤效应，引起附加损耗，产生机械振动、噪声和谐波过电压。

3、谐波对并联补偿电容器和电缆的影响

谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。

4、谐波对通信的干扰和影响

谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导会感应到通信线路上，可能影响通话质量，甚至在极端情况下，威胁通信设备和人员的安全。

5、谐波对继电保护和自动装置的影响

谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动、拒动，尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，更容易引起继电保护的误动作。

三、谐波的治理

目前，谐波的抑制主要采取：无源滤波、有源滤波、无源和有源滤波混合型等技术。

1、无源滤波技术

无源滤波技术为传统的谐波抑制和无功补偿技术，即使用电力电容器等无源器件构成无源滤波器（PF），与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率。无源滤波器虽然具有简单、方便的优点， 但也存在着缺点： 只能抑制特定的几次谐波，但对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，在特定情况下可能与系统发生谐振；只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；其滤波特性受系统参数影响较大，并且有时很难与调压要求相协调；有效材料消耗多、损耗大，重量与体积较大等。此技术适用于对电动机控制器产生的谐波进行过滤，需解谐滤波器配合使用。

2、有源滤波技术

有源滤波器（APF）是通过检测电路检测出电网中的谐波电流，然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量并注入到电网中，修正电流波形，达到消除谐波的目的。APF滤波特性不受系统阻抗影响，消除与系统阻抗发生谐振的危险。与PF相比，APF具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功电流，性价比较为合理。另外，APF具有自适应功能，与供电系统并联工作，可自动跟踪补偿变化着的谐波，不影响基波，只需要匹配合理的滤波器容量就能达到很好的滤波效果。此技术适用于各种场合下的谐波过滤，并且有成熟的产品可供选择，是一种日益广泛应用于电力系系统中谐波治理的技术。上面提到的该公司，谐波治理的方案就是采用安装APF有源滤波器的方法。为这三台变频器各配置一台APF有源滤波器，规格分别为200A一台、100A两台，就近安装于三台变频器配电线路侧，以保证大部分的谐波被消除。消谐装置安装后，我们对该用户进行了多次测试，测试数据全部符合国家标准，电能质量得到了极大改善，并解决了用户反映的开关无故跳闸问题。（测试数据见图1-3）

3、无源和有源滤波混合技术

无源和有源滤波混合型装置（HAPF）中使用大容量的无源L-C 滤波网络来承担消除低次谐波、进行无功补偿的任务，而串联型APF只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务，从而使串联型APF的电流、电压额定值大大减小（功率容量可减少到负载容量的5%以下），降低了APF的成本和体积。无源和有源滤波混合型装置能补偿动态无功、滤波性能好，不产生串联或并联谐振，初始投资和运行费用都比较低。此技术是前面两种技术的混合，吸取了前两种技术的优点，唯一缺点就是投资较前两种技术大，适用于对谐波过滤要求比较高的场合。采用有源滤波技术产品在吴江地区有了成功治理谐波的案例，而且综合性价比合理，适合吴江地区的电网环境，是值得在吴江地区推广的一种谐波治理方式。当然除了上述技术外，我们在实际供电系统可以采用比较简单的方法来降低谐波对电网的影响。比如选用Dyn接线的变压器，在三相四线系统中增大中性线的截面积，选用能检测电流均方根值的断路器等。这些方法配合各种滤波技术，都可以将谐波对电网的影响降低到最小，减少用户对谐波治理的投资。

结束语

解决供电系统中的谐波问题，是个系统工程，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都齐心协力。苏州市吴江供电公司在业扩流程中，严格执行审批手续，对新上用户设备的负荷特性严格审查，对于新投产的项目，必须根据用户用电负荷性质对电能质量造成污染的影响，加装消谐装置。尤其对大容量的谐波源，其相应的消谐装置需组织验收，验收不合格，不允许接电；接电后，还要进行谐波实测，如果实测谐波超过国家标准的规定时，不允许该设备接入电网运行。在图纸审查时，根据用户负荷性质情况，10（20）kV高供高计电力用户在进线侧装设在线谐波监测装置，待投运后可不定期进行测试，遇有不达标的，严格要求用户整改。一系列的措施，为吴江电网的安全、可靠、稳定运行打下了良好的基础。

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