供电系统中谐波的危害治理与管理＊

汪志浩,翁时乐

（长兴县供电局,浙江长兴 313100）

供电系统中谐波的危害治理与管理＊

汪志浩,翁时乐

（长兴县供电局,浙江长兴 313100）

电网谐波造成电网污染,正弦电压波形畸变,大大增加了电能损耗,并使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障,情况日趋严重.在简要论述谐波产生的过程、谐波对系统和设备的危害的基础上,提出了谐波治理的一些措施,并针对县级供电企业在谐波管理上存在的不足和对策进行了阐述.

电能质量;谐波;危害治理;管理探讨

工业经济的飞速发展使非线性设备得到广泛应用,大量的谐波电流被注入电网,严重影响了电能质量,威胁电网的安全运行,同时增加了电能损耗,降低了经济效益.

1 谐波的来源

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波.谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数.当谐波频率为基波频率的整数倍时,我们将其称之为整数次谐波,这类谐波通常直接用次数来表示.例如：将频率为基波频率5倍（250Hz）的谐波称之为5次谐波,将频率为基波频率7倍（350Hz）的谐波称之为7次谐波,依此类推.第3、5、7次等为奇次谐波,而第2、4、6、8等为偶次谐波,一般地讲,奇次谐波引起的危害较偶次谐波更多更大.

电网谐波主要来源于三个方面：发电源质量不高产生的谐波;输配电系统产生的谐波;用电设备产生的谐波.其中用电设备产生的谐波最多.

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对均匀一致,发电源或多或少会产生一些谐波,但一般来说很少.输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,它的大小与磁路的结构形式‘铁心的饱和程度有关,其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%.在用电设备中,晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、电石炉、充气电光源、家用电器等都能产生谐波.

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.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.

2 谐波对电网及电力设备的危害

谐波会使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率）,降低了设备的效率,同时谐波会影响设备的正常工作,例如谐波会增大变压器的铜损和铁损,降低变压器有效出力,造成变压器局部严重过热、燥声增大;谐波会导致电力电容器端电压升高,加大损耗,造成电容器发热,加速老化,从而缩短使用寿命;谐波还会导致电缆等设备过热,电机产生机械振动等故障,是电气设备绝缘部分老化、变质,严重时候甚至损坏设备.

谐波对电磁式继电器、感应继电器元件的干扰性较大,会导致继电保护和自动装置误动或拒动,将严重威胁系统的稳定与安全运行.谐波会使电气测量仪表测量不准确,特别是电子式电能表,当谐波较大时将产生计量混乱,造成计量误差,给我们供电部门带来难以估计的损失.

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰,从而干扰弱电系统.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,会直接影响人体大脑与心脏.

3 谐波治理的对策

既然谐波危害如此之大,采取必要的有效手段,避免或补偿已经产生的谐波,就显得尤为重要.

3.1 报装把关,验收检测

《中华人民共和国电力法》指出：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”,《供电营业规则》中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时,用户必须采取措施予以消除.”

作为供电部门,在用户用电报装时应详细了解其用电性质和用电设备;在确定供电方案时,必须认真核对谐波源设备,建立设备台帐,对谐波源设备容量较大的客户应要求提供谐波危害评估报告;审查设计图纸时充分考虑系统的设计,使所选用设备的谐波控制在标准允许的范围内.谐波评估报告中对谐波有治理要求的,设计方案中应一并考虑谐波治理、监测,谐波治理测试合格后方可供电.

3.2 技术改进,减小谐波

应定期开展谐波测试工作,对谐波超标的变电站或线路要进行认真分析,找出谐波源,加装设施减小谐波.

（1）谐波的隔离.10kV和35kV系统中三、九次谐波分量会比高压电网大.为了减少低压对10kV电网的影响,在10kV配电系统中推广使用D,yn11接线组别的配电变压器,能有效地减少三、九次谐波的影响.

（2）加装无源滤波装置.无源滤波器是通过L、C串联或并联,使其在某次谐波产生谐振,当发生串联谐振时,使滤波器两端该次谐波的电压很小,几乎接近零,这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处,从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小,达到对该次谐波治理的目的.缺点是容易过载,造成烧损,同时,受系统影响较大,更重要的是无源滤波器只可以过滤一种谐波成份,如果过滤不同的频率,谐波则要分别不同的滤波器.优点就是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便,同时能起到补偿电容器组的作用,所以目前被国内外广泛采用.

（3）加装有源滤波装置.利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为趋向零,达到较实时补偿谐波电流的目的.能有效地解决无源滤波器存在的缺点,是电力系统无功补偿谐波治理的发展方向.目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高,而且成本很高,因此在现阶段不可能大量推广应用.随着科学技术的发展,功率电子元件的成本下降,这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的.

（4）供电系统中无功补偿的同时合理选择串联电抗器.坚持无功补偿接入点谐波背景的测量,合理选择串联电抗器,抑制谐波电流,当系统含有3次谐波时,选用电抗率为12%～13%的串联电抗器,含有5次及以上谐波时,选用电抗率4.5%～6%的串联电抗器.

3.3 精心设计,避开谐振

根据《民用建筑电气设计规范（J GJ/T 16-923.3.10）》“为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内,宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时,如选用较低电压不能符合要求,宜选用较高电压.”也就是中频炉等大功率非线性用电设备在选型时,尽量选择较高电压.

在无功补偿设计中除了应注意避免并联电容器与系统感抗的谐振,除了验算基波外,还需要验算3、5、7次等主要谐波,避开这些参数,防止在该次谐波发生谐振.

3.4 加强宣传,共同治理

通过各种手段加强标准和相应规范的宣传贯彻,使用户明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效、保证电网和设备安全稳定运行的举措.供电方与用电方应在分清谐波来源基础上,多方出资,走共同治理之路.

4 县级供电企业对谐波的管理

4.1 县级供电企业对谐波管理存在的不足

目前国家电网公司把谐波治理作为创建国家一流县供电企业考核验收的一项重要指标,足以说明对县级供电企业谐波治理的重视,但还是暴露出一些问题.①对谐波的危害熟悉不足.谐波作为一种污染,对电网危害十分严重,但由于谐波的危害程度需要专业测量和计算,在生产实践中不易觉察到,而县级供电企业这方面的工作还不够完善,因而对谐波的危害还没有足够的熟悉.②对谐波的产生原理缺乏深入了解.对客户的用电设备,只重点强调了用电安全性及功率因素等经济指标,对它们产生的电网污染熟悉不足.如我局虽然在2002年开始就把“客户电压、无功、谐波管理”纳入了企业标准,并于2008年重新下发了“关于加强客户谐波源管理的若干规定”等文件,但是在用户用电报装及供电方案确定的时候,往往还是忽略了一些换流设备、变频设备、电焊机等主要的谐波源.③谐波治理的专业技术力量不足.由于谐波治理涉及电力电子、电力系统、电力自动化技术、电子测量、理论电工等专业,而在县级供电企业中相关专业人才相对缺乏,如我局也是刚刚开展谐波测量工作,而对于谐波源监测、谐波分析、谐波治理等工作,还处于一个摸索阶段,没有形成自己的治理体系,很难实现及时监控、治理的目标.④谐波治理的资金投入不足.谐波测量是一项比较繁琐的工作,需要较大的人力物力,而谐波源治理又比较困难,用户在购买设备时为减少投入,对谐波抑制设备配备很少,因而造成了电网谐波抑制设备的缺乏.

4.2 县级供电企业采取的对策

根据以上分析,本人认为,加强县级电网谐波治理应当做好以下工作：①充分熟悉谐波对电网的危害,建立健全谐波治理体系,组织专业治理队伍,对谐波进行专业治理,开展谐波专业分析与治理.②普及谐波治理知识,大力宣传谐波对电网的危害,使供电企业职工与用户都能够充分熟悉到,谐波治理不只是供电企业的责任,而是电力企业和用户的共同责任,减少电网污染,提高电能质量,对双方都有较大的潜在利益.③在企业内部把谐波治理指标与经济责任制考核挂钩,严格执行对电网的谐波含量的定期测试,对用户设备注入电网的谐波电流进行监测,对超过国家标准的设备,给予适当的经济处罚,以增强其对设备的监管力度,对超标用户按相关政策处理.④严格业扩报装审批手续,对新上用户设备的负荷特性严格审查,对大容量的谐波源,其相关的谐波抑制设备不配套,谐波注入量不达标,不予验收送电.

“谐波污染”已经成为电网内三大公害之一.谐波治理是综合治理过程,是改善供电品质的重要手段.作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传,强调谐波治理的重要性和投资回报.在对谐波准确测量的基础上,提出适合用户的治理方案.只有各方面都重视起来,才能还电网一个干净的环境,从而改善整个网络的电力品质,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.

[1]GB/T14549-93.电能质量公用电网谐波[S].

[2]GB50227-1995.并联电容器装置设计规范[S].

[3]JB/T9663-1999.低压无功功率自动补偿控制器[S].

[4]朱军.农村电网电压质量和无功电力管理培训教材[M].北京：中国电力出版社,2005.

TM732

A

1009-1734（2010）S0-0161-03

2010-05-10

汪志浩,助理工程师,从事变电检修管理研究.