供电系统中谐波的危害及治理措施

朱 亮

(长兴县供电局，浙江 长兴 313100)

随着我国工业经济的迅猛发展，一些具有非线性、冲击性、不平衡特征负荷，以及谐波丰富的应用设备，如半导体整流和逆变装置、变频调速装置等电力电子设备，都会产生不同程度的谐波，使得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，同时又增加了电能损耗，降低了经济效益.本文主要介绍谐波的来源，以及对电网及电力设备安全稳定运行造成的危害、目前长兴县级供电企业管理现状等，提出解决谐波危害、提高供电质量的相关对策.

1 谐波的来源与危害

电能质量包括4个方面的相关术语和概念:电压质量，即用实际电压与额定电压之间的偏差(包括电压幅值、波形和相位的偏差)，反映供电企业向用户供给的电力是否合格;电流质量，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低损耗[1-5].

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外，还可以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.不同频率的谐波对不同的电气设备具有不同的影响.

电网谐波主要来源于3个方面:一是发电电源质量不高产生的谐波;二是输配电系统产生的谐波;三是用电设备产生的谐波.其中用电设备产生的谐波最多.谐波会使电网中的电气设备产生额外的损耗(谐波功率)，降低设备的效率，同时还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，降低变压器的有效出力，造成变压器局部严重过热、噪音增大;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，加速其老化，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，使电气设备绝缘部分老化、变质，严重时甚至损坏设备.

对输电线路的危害主要有:由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随频率的升高而增加;在集肤效应的作用下，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体发热，破坏绝缘，严重时造成短路，甚至引起火灾.另外，由于输电线路存在着分布的线路电感、对地电容及无功电容等电感和电容，它们与系统母线侧及系统串联或并联，组成串联回路或并联回路时，可能会发生串联谐振或并联谐振，导致在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘被击穿，造成恶性事故.

谐波对电磁式继电器、感应继电器元件的干扰较大，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，当谐波较大时会产生计量混乱，造成计量误差.

用户的电动机负荷约占整个负荷的85%，因此谐波对电力用户电动机的影响最为明显.谐波能使电动机产生附加的损耗和转矩，会减少电动机的绝缘寿命.谐波产生的脉冲转矩，会导致电动机转轴扭曲和机械振动，产生很大的噪音.

对于计算机网络、通信、有线电视，以及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.其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统.

2 谐波的治理方法

谐波的危害很大，必须采取有效的手段避免或补偿已经产生的谐波.具体措施如下[6-10].

2.1 报装把关与验收检测

《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》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;审查设计图纸时需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的治理和监测，谐波治理测试合格后方可供电.

2.2 减少谐波的技术

发电部门应提高发电机制造的工艺水平，提高三相绕组的绝对对称性及铁心的均匀一致性，从源头上减少谐波的产生，同时对输送出的电流进行检测，不把电厂的谐波送到供电部门.对于供电部门来说，谐波的产生不可避免，既有来自上游发电部门的谐波，又有来自下游用电部门的谐波，还有自身产生的谐波，但是通过一定的技术手段，加强监测，实时控制，并通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施，可以提高电网抗谐波的能力.

此外，还可以定期开展谐波测试工作，对谐波超标的变电站或线路进行认真分析，找出谐波源，加装相关设施以减小谐波.

(1)运用由L，R，C元件构成谐振回路，可阻止与谐振回路的谐振频率相同或相近频率的谐波进入电网，如在电力电子设备的交流侧安装无源滤波器;

(2)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趋向零，达到实时补偿谐波电流的目的;

(3)在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少谐波量的波动、改善功率因数、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力;

(4)将电容器组的某些支路改为滤波器或采取串联电抗器，也可以采取限定电容器组投入容量的方式，避免电容器放大谐波.

3 县级供电企业谐波治理存在的问题

目前，国家电网公司将谐波治理作为创建国家一流县级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.但县级供电企业在谐波治理方面存在不少问题，主要表现在以下几个方面.

(1)对谐波的危害认识不足.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，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了解.

(2)对谐波的产生原理缺乏深入了解.对客户的用电设备，只重点强调用电安全性及功率因数等经济指标，对谐波产生的电网污染认识不足.如长兴县供电局虽然在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，但是在确定用户用电报装及供电方案时，往往会忽略一些换流设备、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缺乏.由于谐波治理涉及电力电子、电力系统、电力自动化、电子测量、理论电工等专业，是一项专业性极强的工作，需要有专业力量去完成监测、分析和治理.而在县级供电企业中相关专业人才相对缺乏，谐波测控方式大都依赖省或市级电力公司的检测机构.

(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，需要投入较大的人力物力，而谐波源治理又比较困难，为减少投入，用户在购买设备时往往对谐波抑制设备配备很少，从而造成电网谐波抑制设备的缺乏.

(5)有效管理机制的缺乏.尽管国家已经明确规定了谐波治理依据“谁污染，谁治理”的原则，但由于缺乏有效的制约手段，在实际工作中，供电部门往往只能对有治理意愿的用户采取措施.用户处在谐波管理的主导地位，这使客户端的谐波管理显得十分被动.

4 县级电网谐波治理的措施

根据以上分析，笔者认为，加强县级电网谐波治理应当做好以下3项工作.

4.1 强化企业内部的管理

(1)充分熟悉谐波对电网的危害，建立健全谐波治理体系.

(2)建立良好的客户关系，提高服务质量.用电客户作为谐波治理重要的参与力量，是谐波治理的基础，应向用户大力宣传谐波的危害，争取用户的支持合作.

(3)加强对谐波治理工作的常态化管理，把谐波管理纳入日常的生产管理中，通过制定《客户端谐波管理办法》，明确谐波管理的管理机构、管理方式、管理标准，从制度上强化谐波的监督管理.

(4)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进行处理.

(5)对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置及产生的原因，为谐波治理预备充分的原始材料;在谐波变化较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据.

(6)对现有的谐波源，监测站应定期进行谐波监测，并逐步建立健全其技术档案，且每两年核查一次，发现问题及时处理.

(7)凡超过规定允许值的用户应实行专线供电，并装设谐波保护和监测装置，对已接在公用线路供电的，以及已专线供电而未装谐波保护和监测装置的，应按上述要求期限一年内由用户自行改造完善.

(8)新装的谐波保护装置应具有电流和电压两种启动元件，保护定值按规定的标准整定.保护装置应装在供电局变电站出口处.

(9)当用户谐波超过定值导致保护动作，造成线路开关跳闸时，供电局谐波专门负责人应书面通知用户限期进行治理.

(10)加大用电检查力度，对已运行的电能质量污染源用户进行补立档案，本着“谁干扰、谁污染、谁治理”的原则，进行谐波源当地治理.

4.2 加强新建或增容谐波源用户的管理

(1)新建或增容的谐波源用户在报装接电的设计审核中必须有谐波审查项目，对谐波值超标的应有相应的治理措施.

(2)在工程交接验收试验中，新建或增容的谐波源用户必须有监测站的谐波测试报告.对监测结果超标的，不允许接网运行.

(3)对新建或增容的谐波源用户应选择合理的供电电压，并尽可能保持三相电压平衡.

4.3 增强电容器组的管理

(1)在设计电容器组时，设计部门应根据连接点的电网参数，核算谐波谐振和放大的可能性，必要时应实测背景谐波电压和谐波阻抗，并进行详细核算.对于大容量的电力设备，特别是大容量的电容器组，可在回路内增设限流装置或串联电抗器，以抑制电力谐波的产生.

(2)在电网或用户集中安装的大型补偿(或滤波)电容器组施工验收时，应有谐波测试项目，电容器投运时，实测谐波电压放大率应不大于1.5倍.否则，应采取限制措施后方可投入运行.

(3)可以利用电容器进行集中补偿、分散补偿和就地补偿.

5 结语

谐波治理是一个综合治理过程，是改善供电品质的重要手段，而目前农村电网中高压配电的许多用户，对谐波的危害没有引起足够的重视，错误地认为谐波治理是电力部门的事情.因此，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，并在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案，以期为农村电网的安全稳定运行提供保障.

[1]宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京:中国电力出版社，1995:33-34.

[2]郎维川.供电系统中谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术，2002(6):30-31.

[3]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京:中国电力出版社，1998:88-90.

[4]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社，1998:45-47.

[5]张选正，徐智林，张金远.谐波治理与无功补偿技术问答[M].北京:化学工业出版社，2009:11-13.

[6]国家技术监督局.GB/T 14549-93电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社，1993.

[7]中华人民共和国电力工业部.GB 50227—1995并联电容器装置设计规范[S].北京:中国标准出版社，1995.

[8]国家机械工业局.JB/T 9663—1999低压无功功率自动补偿控制器[S].北京:中国标准出版社，1999.

[9]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，2005:51-70.

[10]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社，2003:26-28.