某谐波治理的工程案例设计

李曼

摘 要：针对某工程运行时谐波导致设备损坏的情况，本文在分析谐波状况、比较多种解决方案的

关键词：谐波；无源滤波器；有源滤波器；谐波抑制；不间断电

上海某单位变配电室内发生设备损坏事件：当两套UPS（两台UPS并联冗余1+1）同时由一路市电供电后，与这两套UPS联络的电容补偿柜烧坏。本文在深入分析事件产生原因后，以现场测试数据以及现有消谐方法为基础，依据具体实际情况和工程实际经验，拟定切实解决问题的方案。

1 故障分析

该变电站由两路10KV高压市电环网供电，供电情况稳定可靠。由一路高压市电及一套高低压电源系统，并同时利用原有的五路低压电源供电。同时配置了一台柴油发电机组，作为应急电源。油机电源经与一路高压市电转换后通过联络柜与原有的低压电源实现切换。该路高压市电的无功功率补偿采用低压侧集中补偿方式，采用低压无功功率自动补偿装置，补偿后的高压侧的功率因数达到0.9以上。

事后用仪器对该电容柜受电端进行了测量。测得的电流为双羊角波形是明显的谐波波形图，电压波形也有毛刺。由以上分析，初步认定电容补偿柜烧坏的原因是由于电路中的高次谐波导致。

究其原因，这些系统多是使用了含有整流装置的设备。其中包括UPS、变频设备以及开关电源等。UPS是通过整流器/充电器从交流配电系统中获得电力的，所以对应于UPS上线的配电系统，整流器/充电器是一个会引起谐波失真的非线性负载.一般来说，UPS由市电电网中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是断续的。这种脉动电流和外电网沿路阻抗一起形成的脉动电压降叠加在电网电压的正弦波上，而造成了失真，通常要求正弦波失真度<5%。

由此可得以下的结论：电流中含6k±1（k为正整数）次谐波，各次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

在用电系统中，产生谐波的根本原因是由于具有非线性阻抗特性的用电设备（又称为非线性负荷） 用电的结果。非线性负荷在工作时从电网取用非正弦电流，结果使电流波形产生畸变。谐波电流流经阻抗后，形成电网谐波电压；电压波形进而发生畸变，谐波产生以后，作为补偿的电容器组常会在高频下发生共振故而进一步放大谐波，从而加剧了系统谐波污染的情况，严重时将导致整个系统不能正常运行，影响同一供电系统的其它负荷设备甚至整个系统的失效，将引起相关部门的高度重视。

2 实测结果

2.1 谐波源的实测结果

用电能质量分析仪对该变配电系统内部供电电网质量进行测试。实测结果进一步印证了上述分析结果。以下是该系统UPS測试前端，当一台120KVA的UPS单独供电时即70%负载率情况下（UPS输出电流显示130，110，103A），以及在UPS旁的开关电源处所测的数据：

3 治理方案的确定

3.1 原则

要针对具体情况具体分析，因地制宜的进行谐波治理。同时要结合实测数据，分析测量结果，对遇到的谐波问题拟不同的解决方案以咨比较后再确定最后的方案。在确定最后谐波治理方案时，应通常考虑以下几点：电气系统接线图（发动机组和隔离变压器的类型、功率、短路电压、亚瞬态电抗；系统中各点的接地；负载的功率、类型；市电运行方式等）；谐波源的具体现状（包括几次谐波、类型、大小等）；有无补偿电容器组以及是否与系统发生谐振；负载停电的可能性；

3.2 分析及结论

结合目前常用消谐方法，对本工程做如下分析：

（1）移相消谐

通过自耦变压器为整流器供电产生了相移，导致各个整流器产生的谐波电流重组。计算表明还剩6kp±1次谐波（p为整流器个数）。即11，13，23，25等。优点是：价格最便宜；缺点是：只适用于至少两个UPS并联使用的系统；N个谐波源（在此UPS）相互之间一定要大小、相位、个数保持一致；系统扩容不方便；移相器参数一旦定下，再改变就比较困难。

基于系统扩容及安全性考虑，系统设计上两台UPS是又互为备用，如果一台故障，另一台就承担所有出力，这样的话，移相器谐波抑制的方法就不再有效，此方法就有了极大的隐患。本工程不予考虑。

（2）无源滤波器消谐

应用无源元件（如电阻器、电感器和电容器）适当组合，通过LC选频网络，在接近谐振频率下，对某一频率的谐波提供低阻抗通路，由此达到滤掉此频率谐波的目的。利用在谐振频率下，感抗与容抗相互抵消，只剩下电阻的阻尼作用，因而形成对谐波频率的低阻抗通道。滤波器对谐波源呈串联连接，同时与电源阻抗形成并联共振电路，应用时须注意参数的选择避免发生共振导致电流放大的情况。实际工程中常存在多个频率谐波，则须安装多级滤波器。

4 结语

针对实际工程中的谐波治理问题，本文给出了理论分析方法，实际测试结果，以及几种成熟的谐波治理方案，是有广泛代表性的。这一套分析方法和方案建议对实际工程的谐波治理是非常具有借鉴意义的。

参考文献：

[1] 程全红.有源滤波技术及工程应用[J]. 工程建设与设计. 2009（07）.

[2] 冀向华.有源电力滤波器在剧场中的应用[J]. 建筑电气. 2009（05）.

[3] 顾竞梅.有源电力滤波器在谐波治理中的应用[J]. 电工技术. 2008（03）.