电网谐波的分析与治理

电网谐波的分析与治理
施绍坤
摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，电网中非线性负荷用户的比例不断提高，由此而产生的供电电能质量严重下降。特别是冶金工业、化学工业及电气化铁路的发展，电力系统中的非线性负荷及冲击性负荷日趋增加，对电网电能质量的“污染”加剧，使电网的非线性（谐波）、非对称性(负序) 和波动性日趋严重。已引发电网不少异常和事故，治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。?电力论文,发表论文,经济论文网

关键词：电能质量非线性谐波治理

一、谐波的基本特性和测量分析
（一）谐波基本特性。
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍数。理论上看，非线性负荷是电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系，这类负荷的电流不是正弦波，且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外，还可能产生低于基频的次谐波，或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故，而导致系统进入暂态过程引起的谐波，将不归属谐波治理的范畴。
要治理谐波改善供电品质，需要了解谐波类型。谐波按其性质和波动的快慢可分成四类：准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定，推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。兼顾数理统计和数据压缩的需要，标准对测量时段以及通过测量值计算谐波值提出了建议。?
国标GB/T 14549-1993采用观察期3s有效测量的各次谐波均方根值的95%概率作为评价谐波的标准。为简便实用，将实测值按由大到小的方式排序，在舍去前5%个大值后剩余的最大值，近似作为95%的概率值。?
（二）谐波的测量及分析。
国标规定谐波测量时的运行方式为：电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周期中产生的谐波量最大的时段内进行谐波电压、电流的测试。当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般为2-25次，根据谐波源的特点或测试分析结果做相应调整。谐波电流允许值的计算与三个参数有关：最小短路容量SK1、供用电设备容量St及协议容量Si。其中最小短路容量指的是正常最小运行方式下的短路容量；协议容量不包括起替换作用的冷备用容量；供用电设备容量和最小短路容量下的供电方式相对应。公用电网谐波　GB/T 14549-1993中规定：对于负荷变化快的谐波源，测量的间隔时间不大于2min，每次测量结果可为3s内所测值的平均值，测量次数一般不少于30次；对于慢变化谐波源测量的间隔及持续时间不作规定。目前，电能质量监测仪都采用连续有缝的监测方式，即：测量的间隔时间大于3秒，一般为1至15分钟。可进行如下测量：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动、闪变、三相不平衡度、电压波动和闪变、电压骤升、骤降、中断等。
在实际测量工作中，通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说，将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点，测量该点的电压和注入公共电网的电流后，通过对电压和电流的分析，取得谐波测量资料。?
相对单点的谐波测量而言，从区域或整个电网角度来看，谐波源的定位和确定谐波模型进而分析它是一个相对复杂的过程。谐波源定位，一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种：非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理，只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
在取得谐波测试结果后进行分析，选择测量时段内各相实测量值的95%概率值中最大的一相值，作为判断谐波是否超过允许值的依据；根据公用电网谐波电压（相电压）限值表判断谐波电压是否超标；根据公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流允许值判断谐波电流是否超标。

二、电网中的谐波源
严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多位于用电环节上。
发电环节。
发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。?
输、配电环节。
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。
用电环节。
用电环节谐波源更多，晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波。?
晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源。?
变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。?
充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。?

三、谐波在电网中的危害
（一）谐波干扰威胁电力系统安全稳定运行。
因电网中的电气设备很大部分采用电磁式继电器、感应继电器元件，容易接受谐波干扰而误动和拒动，系统中存在的不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。所以谐波超标，会严重威胁电力系统的安全稳定运行。
（二）增大变压器及电容器等的耗损，制造噪声污染。
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。对于电力电容器，谐波会导致端电压升高，损耗加大，电容器发热，加速老化，从而缩短使用寿命。?
（三）影响电动机有功输出，影响电磁、热磁场运行。
配网中使用大量异步电动机，产生的谐波会增加附加损耗。负序谐波产生的负序旋转磁场，会产生制动力矩，影响电动机的有功出力。对断路器而言，无论其构成元件为电磁的、还是热磁的、亦或电子的，都可能受谐波的影响误动。?
（四）易造成电能表误动和拒动。
电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动，保护误动和拒动的重要因素。?
（五）对人体健康造成不良影响。
谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进入通讯系统，影响它们的正常运行。对于人体，谐波会刺激人体细胞，使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转，当这种波动或翻转频率接近谐波频率时，会影响人体大脑与心脏。
四、影响电能质量的因素及其对策
我们已知影响电能质量的主要因素是各种非线性用电设备、变压器和各类铁心电抗器等各种谐波源，谐波不但影响用户设备的正常运行，而且对电网设备和自动化装置有很大的影响。谐波对电网自动化装置的影响，应改进自动化装置的制作工艺和工作原理，加强装置的抗干扰能力，防止装置误动作。但这对改善电网的电能质量并无任何作用，只能是减少电网谐波对自动化装置影响，因此关键是针对各类谐波源进行电能质量的治理，应加强对用户谐波源的治理和改变电网参数，降低或消除谐波谐振。采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，现提出以下治理措施进行探讨：?
（一）加强电能质量标准和相应规范的宣传贯彻。
电能质量监测有益于电网的安全、稳定、经济运行，便于及早发现电网存在的隐患，有利于对已发生的电力事故进行更有效深入的分析，从而采取措施，予以防治；另一方面全程监视电能各方面的质量指标参数，以适应不同应用场合的数据分析需要。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。应在电力系统各部门大力宣贯，认真遵照执行。
（二）加强系统分析、正确测量。
电网管理部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。?
（三）优化电网运行参数，消除和补偿产生的谐波。
对于电网，应优化电网参数，改变运行方式，优化无功补偿的安装地点、方式和容量，消除电网谐振或减小电网对谐波的放大作用。如：在变电站10 kV TV、35 kV TV的一次侧中性点加装非线性电阻及消谐装置；在10 kV母线加装消谐装置；改变10 kV并联补偿电容器的参数等方法来补偿产生的谐波。
（四）合理进行电气设计，减少谐波污染。
针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限制在标准允许的范围内。?
（五）加强管理，多方出资，共同治理。
加强用电管理，堵住各种谐波的源头，严格审批，对用户有谐波源及可能产生危害的谐波源必须要求其治理，供电相关部门验收合格后才可以申请入网。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。?
（六）安装有源的谐波调节器。
在工作时注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一个纯的正弦波。这种滤波设备的工作，靠数字信号处理(DSP)技术，控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为设备是与供电系统并联工作，它只控制谐波电流，基波电流并不流过滤波器，目前有源滤波器日益推广应用。
五、结论
谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、配网中，谐波治理有明确的规定和要求，而日益发展的农村电网对有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案。这样做，不仅能够改善整个电网的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。

参考文献：
1段晓波，关于谐波标准中电流限制的讨论，河北电力技术，2003 Vol.22。
2宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，1995
3林雪海，论电能质量标准。中国电力，1997（3）。
4 奚珣. 电能质量的更高要求及对策. 供用电. 2002,19(1)：pp40-41
5 张朋. DSP在电能质量补偿器中的应用. 工业仪表与自动化装置.2003(2).-46-48,56