电网谐波问题的分析与解决方法

摘 要进入21世纪以来，在经济和技术发展的推动下，为我国电力行业的发展带来了极大的推动作用，尤其是农村电力的发展，有效的满足了人们的多样化用电需求。但是，在农村地区，因为投入了较多的非线性负荷，因此，日益严重的谐波污染开始出现在农村电网中，所以，本文通过分析农村地方电网的谐波之后，制定出了一套科学的治理对策。那么，通过本文对相关内容的分析与阐述，从而为有关单位及工作人员在实际工作中提供一定的帮助作用，为促进保证我国农村稳定、安全的用电提供相应的保障。

【关键词】农村地方 电网谐波分析 治理分析

在科技发展的推动下，我国农村电网也取得了前所未有的发展，很多工业开始向农村转移，这样很多输电线路都要被重新建设与改造；其次，对于现存的电力资源还应该高效的进行应用，将电力损耗降低。因为有不平衡的负荷存在于农村电网中，很多设备都属于高能耗。因此，就会有越来越严重的谐波污染出现在这些设备中，从而就会严重的影响着农村供电系统。所以，如何确保我国农村电力行业的稳步发展，就需要有关部门及工作人员在工作中将谐波污染问题高度的重视起来。

1 问题的阐述

近些年来，在经济与科技发展的推动下，加快了我国农村本身地方产业的发展，新建了许多工厂，例如小煤矿厂、钢铁厂、水泥厂等。一些企业为了稳固生产成本，多数都开始由城市转移到乡村，成为了农村工业队伍中的一份子。并且，随着农民生活水平的日益提升，农村家庭中的家电种类和数量也越来越多，对应的，也就会逐渐的增加农村电网负荷的数量和种类，并且，有很多的晶闸管可控开关、电弧炉、换流装置等非线性设备存在于这些负荷中，这些投入及应用，就会将越来越多的高次谐波注入到农村电网中，进而畸变问题也不断出现在电流谐波和电网谐波中，从而就会逐渐的降低电能质量，问题轻则会增加发热量、自动装置与继电保护装置误动作、机械与电气谐波、元件功率损耗等。一旦问题严重，会导致重大事故出现在电力系统中。

1.1 变压器滤波故障

有很多的电力变压器存在于配电与输电系统中，由于有饱和问题容易出现在变压器内铁心中，在磁化曲线近饱和段上存在额定工作磁密度和磁化曲线的非线性特征。这样就造成有尖顶形出现在磁化电流中，有很多的奇次谐波存在于内部。越高的变压器铁心饱和度，就在线性更远的距离处存在工作点，从而就会有越大的谐波电流，一旦问题较重，三次谐波电流，同额定电流的5%相吻合。如下表为某地母线电压的谐波情况。

通过表1能够得知，同负荷高峰进行比较，负荷低谷时就会将10KV母线电压提升5%左右，然而，却在很大程度上提升了谐波电压值，尤其是提升了1倍左右的谐波，也提升了近一倍的总谐波，这样电能质量相关规定中的谐波限定值就会被10KV母线谐波电压所超过。

1.2 保护装置受谐波影响

自动控制装置与继电保护装置会受到谐波的影响，从而出现拒动和误动问题，例如，有谐波分量容易出现在变压器空载合闸激磁涌流中，这样误动作问题就极易出现在继电保护装置中。

1.3 谐波问题出现在电弧炉中

在乡镇的冶炼企业中广泛的应用了中频电弧炉，它有着投资少、技术含量低的特征，它是污染农村电网的主要谐波。有很多的谐波电流被电弧炉生成出来，从而就会有非常严重的谐波污染问题出现在农村电网中。尤其是农村电网内部的一些不合理的供电形式，居民用户同乡镇企业应用同一条供电线路，这样用户家电被烧毁和用户计量表被烧毁的问题就会经常发生。

2 谐波所带来的伤害

在应用了大量的电弧炉、中频炉后，这样会有很多的谐波电流出现，从而造成有畸变问题出现在电压正弦波中。

谐波会将一定的附加损耗带给供电线路。因为邻近效应和集肤效应，随着频率的增加，线路电阻也会增加，从而就会严重的浪费掉一部分电能，正常的情况给下，不会有过大的电流从中性线中流过。因此，它具有较细的导线，当在中线流过的电流产生三次谐波时，可能会造成导线发热、导线绝缘老化、损坏导线，一旦问题严重，还会造成火灾问题的出现。

谐波还会诱发公众电网的串联谐振与并联谐振，进而就会不断的放大谐波，从而严重的影响着电网的运行效果。

同时，各个用电设备的运行稳定性也会受到谐波的影响，造成也有振动、发热等现象出现在电动机等设备中，对电子装置的工作精度带来影响，从而缩短设备寿命、损坏家用电器、降低产品质量。

谐波造成难以投运电网10KV电容补偿装置。例如这样的案例，在某个工业园区中，因为很多单位都应用了中频炉，并且他们的电流分量和电压的分量都严重的超标，所以，造成难以正常的投运10KV馈出线路分散补偿电容，因此，就会出现较低的功率因素，增加功率损耗。

3 分析谐波

在整个农村负荷用电量中，农村地方工业用户的用电量占据了30%左右，可以说它占据着很大的比例，很多城市所限制的非线性负荷用电企业开始纷纷的转入到乡村，成为了地方工业用户中的一部分，所以说，农村电网的谐波源就是由这些非线性的负荷所构成的，比如，石灰厂、小煤矿厂、水泥厂等。在交流侧会有大量的高次谐波生成于换流器交流-直流转换的过程中，在分析了12相整流电路后得知，可以用以下公式表示电网侧总电流：

在这个式子中，变压器的变化用N表示，恒定直流电流用Id表示，在交流电路中总共有12K±1次的特征谐波出现在换流的过程中，K的值取正整数。在一般的情况下都可适用，一旦换流器的脉动在各个基波周期中都是P，这样就会有N=KP±1的特征谐波出现在交流电路中，从而就会严重的污染的整个电网的运行系统。

在整个电力系统中，例如，一些工厂所使用的电弧炉为其中一个非常关键的谐波源。有这样几个原因会诱导电路产生谐波：首先，电弧和电弧起燃延迟的高度都属于非线性；其次，有着一定的随机性存在于电弧炉负载中。在电流过零时，会熄灭交流电弧，当弧隙的介质电压被弧隙电压超过时，就会再次增加其电压强度，从而造成有不连续的电弧电流波形出现；因为非线性的伏安特性存在于电弧中，这样随着不断增大的电流，电阻就会被降低。所以，电压和电弧电流都会出现较大的畸变，一旦能够稳定的燃烧电弧，这样基波生成整数倍谐波。在熔化期，负载的随机性较强，电弧间电磁力互相作用和正在熔化炉料持续运动，所以，这样就会十分明显的随机性出现在电弧炉的谐波中。在基波量的20%左右控制着高次谐波幅值，并且，这样的概率会达到70%左右，因此，就会有非常严重的谐波。

4 治理谐波

4.1 治理谐波的总则

110KV及其以下为我们国家农村电网电压的基本压值范围，500MV·A左右为短路容量范围，所以，对谐波的承受能力不强，受干扰和谐波的危害就非常的严重。为了避免系统不受谐波影响，要按照GB/T14549-93标准去做。

4.2 治理农村电网谐波

在运行统计资料的基础上，对于很多负荷点的谐波，农村地方电网都不能够给予满足，谐波源在其中通常都比较大。例如煤矿的脉动整流设备和钢厂的电弧炉等，这样才会在标准值以外存在着注入的谐波电压值。因此，主要应该从较大的谐波源出发来对农村地方电网的谐波污染进行治理，将最为合适的抑制对策制定出来，将电弧炉与换流器所导致的谐波电压控制在合理的范围内，从而将电网的安全运行效率提升上来，从而有效的保障用户设备与电网电能设备的质量，所以，应该针对这样几个方面进探究：

n=kp±1为换流器的特征谐波，一旦将换流装置脉动数P增加进去，对应的也会增加n的值，同时Ii/n≈In，因此，利用将换流器相数增加的方式，用12脉动整流取缔6脉动整流，从而实现降低谐波和实现平滑波形的目的。

在分析了三相桥式整流器换相经过之后，发现随着不断增大的电抗触发角，换相角也会随之而增大，但是，随着出现越大的换相角，就会有越平滑的波形变化，这样同正弦波就越接近，从而就会在某种程度上改变换流器的内部构造，降低触发角，增加换相电流，对谐波的电流进行有效的限制。

应该从源头出发抑制直流电弧炉所带来的谐波污染，从源头开始，就是在系统中接入电弧炉后，就需要将合理的接入点选择出来，同时，需要有足够大的接入点系统短路容量。由于电网有着较大的短路容量，这样就会有较强的谐波承受能力，而且，还可以将小额定值的滤波器装设在接入点附近，将无源滤波器配置于其中。

对于基波有源电力滤波器难以有效的予以承受，所以，可以对额定值小、容量小的装置进行应用。通常利用无源滤波器就可以补偿谐波，从而就可以将谐波有效的降下来。通常有串并联、电容器和电抗器串联一同构成了无源滤波器，在一些概率范围内调控谐波频率，所以，可以将需要滤掉的谐波吸收掉；谐波隔离器是有源滤波器的一大特征，对无源滤波器的滤波特性予以改善，这样电源阻抗就不会影响到无源滤波器，并且，有谐振问题容易出现在无源滤波器和电网中，它有着快速响应与高度可控性特征，对于各次谐波都可以有效的进行跟踪补偿，对于不断变化的所需的无功功率可以自动生成，并且，系统不会轻易的影响到特性，没有放大谐波的危险问题出现在其中。所以，对于混合式的电力滤波方式进行应用，从而获取最优化的滤波装置性价比。

应该在在线性负荷区内确保变压器工作，尽可能的通过两台变压器共同工作的方式进行季节性供电，加大力度调查基层单位的负荷用电情况，因为主要有三次谐波和两次谐波存在于变压器空载合闸励磁涌流中，这样在治理的过程中就可以应用到LC无源滤波的方式。在变压器阻抗变化特性的基础上，可以对LC谐振型滤波器进行应用。

5 结语

综上所述，一旦有谐波问题出现在农村电网中，对于农村的电能指标就会带来非常严重的影响，将电网的供电可靠性就会降低，不但对电气装置的正常运行会带来伤害，还会增加额外的电能损耗，从而对电气装置的使用寿命带来极大的伤害。在农村地方电网中，谐波污染成为了其中一大公害，所以，农村电网部门需要应用有效的管理措施与技术措施相结合的方式，不断的评估和监测电能质量，从而将农村电网的管理效果提升上来。对合适的优化技术进行应用，然后综合的治理和防范其中可能出现的谐波问题，确保能够按照相应的秩序完成农网建设与电力负荷的控制，从而保障我国农村经济向着更好的方向发展。

参考文献

[1]黄崇莉，蒋军.电弧炉变电所高次谐波的分析和探讨[J].钢铁研究学报， 2005（01）：632-633.

[2]李凤祥.消除电力谐波污染 确保电网运行安全[J].中国安全科学学报， 2004（09）：756-757.

[3]赵新红，苏文辉.一种能滤除衰减直流分量的改进半波傅氏算法[J].水力发电， 2003（06）：56-59.

[4]李得民，何怡刚.基于Nuttall窗四谱线插值FFT的电力谐波分析[J].电力系统保护与控制，2016（03）：89-91.

[5]沈杰，孟晓芳，王英男，侯森，张帆，赵夕彤.配电网谐波分析的傅里叶变换方法[J].东北电力技术，2015（10）：632-633.

[6]潘绍明，罗功坤，劳有兰.基于快速傅立叶变换的电力谐波分析与程序实现[J].广西工学院学报，2012（01）：85-87.

[7]刘德利，曲延滨，梁景凯.希尔伯特-黄变换在电力谐波分析中的应用研究[J].电测与仪表，2011（06）：23-27.

[8]李春文，姜素霞.电网谐波电流检测方法分析[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2007（Z1）：74-79.

[9]任杰，李克俭，潘绍明，蔡启仲.双口RAM读写正确性自动测试的有限状态机控制器设计方法[J].广西科技大学学报，2015（04）：536-527.

[10]徐晓宇，李克俭，蔡启仲，潘绍明，余玲.基于FPGA的PLC并行执行定时器/计数器的设计[J].计算机测量与控制，2016（01）：43-45.

[11]林琳，杨金成，张卫辉，杨永建，王新库，黄南天.基于S变换与全局最优阈值的暂态扰动信号降噪[J].电测与仪表，2015（23）：52-56.

[12]马志远，贺建闽.小电网负荷低谷时段谐波电压问题的研究[A].第五届电能质量研讨会论文集[C].2010.

作者简介

张鹏（1980-），男，甘肃省民勤县人。西北师范大学双学士学位。现为河西学院讲师，主要研究方向为电气工程。

作者单位

河西学院物电学院 甘肃省张掖市 734000