刍议电力谐波对供配电系统的影响和治理策略

朱 岩

（惠生工程（中国）有限公司，北京 100102）

0 引 言

随着当今时代社会经济的不断发展，电力资源在人们的生产生活之中越来越发挥出不可或缺的作用。这样的情况就加快了供配电系统的建设与发展，而在此过程中，电力谐波问题的解决也变得尤为重要。很多用电装置在使用过程中都很容易产生谐波，这些谐波的产生对于电力系统的运行效率和电力计算装置计算的准确性都将造成影响。因此，通过有效的策略来治理电力谐波，这对于供配电系统的运行和电力单位经济效益的稳定增长都十分关键。

1 电力谐波对供配电系统的影响分析

1.1 对变压器的影响

在电力系统中，变压器起到核心性作用，但是如果电力系统中有谐波产生，且谐波电流对变压器造成了影响，造成变压器绝缘老化、发热、功耗增加等问题，就会使其工作效率降低，甚至使其停止运行时，整个供电网络的运行都将受到不利影响，严重时甚至会造成供电网络瘫痪的后果。同时，在电流从电力设备中通过时，各电力设备中都会有谐波产生，且不同设备的谐波频率会有所不同，这些谐波的影响作用会相互叠加，进而在很大程度上干扰变压器的稳定运行[1]。如果变压器的运行不能维持在稳定状态，电力系统中的电流情况也将会受到不利影响，这些不稳定的电流从变频器中通过，就会让变频器产生的谐波更加严重，变压器也会受到更大的影响。这样的恶性循环不仅严重影响变压器的工作效率，而且将缩短其使用寿命，直接影响供电企业的经济效益。

1.2 对电容补偿设备的影响

在电力系统中，如果谐波频率发生变化，带有电容补偿的谐波阻抗也会随之变化，所以整个系统可以是容性系统，也可以是感性系统。如果系统中的谐波频率到了某一个数值，且系统中的感抗远远超过系统的容抗，在大量的谐波电流作用之下，电容器和电力系统中的其他设备之间就会产生串联谐振或者并联谐振，谐波电流也会进一步被放大，容易引起谐波过电流或者是过电压现象，熔断电容器中的保护熔管，甚至烧毁电容器。而电容器一旦被烧毁，整个电气回路中其他设备的安全运行也都将受到严重的不利影响。

1.3 对电力电缆的影响

因为集肤效应，当电力系统中的谐波电流从电缆中通过时，电流会集中在导体表面，减少电缆的实际载流面积，增加电缆的电阻，加之谐波电流会导致高频率电场的产生，会加剧电缆绝缘局部放电的现象。同时，因为电容分布在电力电缆中，也将使电力电缆中的谐波被放大。在这样的情况下，电力电缆的耗损程度会进一步增加，并随着温度的不断升高而发热，严重影响电力电缆的稳定性，增加事故发生率[2]。

1.4 其他影响

电力谐波属于电源污染的一种，而电力系统中的数据测量仪器使用的都是正弦波，因此在进行数据测量的过程中，如果电力系统中出现了谐波，会影响到数据测量的精确度，也可能会导致继电保护装置以及自动化装置的误动作现象。同时，电力谐波也会干扰到通信系统的正常工作，使通信清晰度降低。例如，电视、电脑、医疗仪器和一些数字化电子设备等，在谐波的影响下都可能会出现图像变形、失真等的情况，数据处理系统也可能会出现错误。此外，高次谐波也会对用电设备产生直接的危害，加快其老化的速度，进而导致发电设备和供电设备运行成本的增加，并对电气线路中的相关继电保护设备和保护元件造成影响，使其出现误动作情况[3]。如果电子设备对于电源有着比较高的要求，那么在遇到谐波时，其程序就会出现错误，相关数据也会丢失，严重时甚至会遭到永久性的损毁。

2 谐波治理实例

2.1 概况分析

在对某化工厂进行改造过程中，发现电力谐波对其电力系统的影响比较大。该工厂设置2 台S11 型的主变压器，容量为5 000 kVA，其一次侧的额定电压是35 kV，二次侧的额定电压是10 kV。

根据国家标准GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》中计算式B1 及C6，对允许注入公共连接点的谐波电流进行计算，并与现场谐波电流的测试数据对比，具体如表1 所示。

表1 谐波测试数据和国标计算数据对比情况

由表1 可知，该公司的两个配电变压器在正常运行状态之下的10 kV 侧 5 次、7 次、9 次、11 次、23次和25 次谐波电流都不能与国标相符，电力谐波需要得到进一步治理。

2.2 谐波治理方案

在治理过程中，将一套高压无功补偿装置并联在了用户的进线柜，其容量是4 800 kVar，补偿装置可以根据无功量自动进行三路投切，每一路的滤波通量是1 600 kVar。

2.2.1 补偿装置

在本次的电力谐波治理过程中，应用到的主要滤波补偿装置有真空交流接触器、10 kV 避雷器、微型综合保护仪、工作放电装置、滤波用电容以及电抗器的组合装置、测量保护电流互感器、控制装置、磁管式户内熔断器。谐波用电容器以及电抗器的组合装置可以组成一个高通滤波可调电阻形式的谐滤波回路，将金膜介质作为滤波电容器，其场强和稳定性都有着较高的质量，同时将放电电阻装置设置在其内部。滤波电抗器的主要组成部分包括铁芯和线圈，可以实现±5%的调幅设置。如果谐波注入其中，当XCn 和XLn相等的状态下，就会形成一个吸收谐波的回路。

2.2.2 保护装置和控制

在每个滤波装置中，回路都是通过单Y 形进行连接，并各自设置了过流保护、过压保护、零序过电保护以及速断保护。在10 kV 的电力系统中，每一个滤波装置的回路都是通过真空交流接触器来进行控制，在具体的控制过程中，可以根据其实际的负荷情况来实现自动的投入或者退出。

2.3 补偿前后的效果分析

2.3.1 现场检测数据

在本次的现场测量过程中，所得到的数据如下：CT 为 600/5 A；PT 为 100 V。

具体情况如图1 所示。

图1 现场具体测量情况

2.3.2 补偿前的计算数据

根据现场测量，本次补偿之前的计算如下：

2.3.3 电容自动补偿之后的效果

在电容得到自动补偿之后，其现场的测试情况如图2 所示。

图2 电容自动补偿之后的现场测试结果

根据测试结果，可以对电容自动补偿之后的结果进行计算：

2.3.4 电力谐波治理效果分析

通过治理之前和治理之后的比较分析发现，视在功率的下降幅度是8 400-7 517=960 kVA，下降率达到了10.5%；视在电流的下降幅度是485-430=55 A，下降率达到了11.4%；变压器和线损的下降幅度是1-2cosφ1/cosφ2，下降率达到了19.2%。因为电流和谐波电流都得到了明显减小，所以高压电缆发热的情况也得到了良好改善，功率因数也达到了国标要求。在本次所研究的系统中应用的是24 脉波的整流装置，5次和7 次谐波之间可以互相抵消掉，由于整流装置在触发角度方面有着一定的误差存在，所以在10 kV 侧依然有少量的谐波，但依然满足国标的要求。

在本次的谐波治理过程中，主要应用的是5%电抗率的滤波通道，并不会放大5 次以上的谐波，同时该滤波通道的吸收能力可以达到10%左右，图2 就是本次治理之后的谐波测试结果。

3 供配电系统的电力谐波防治措施分析

3.1 整流装置脉冲数的增加

因为多次整流所产生的特征谐波次数n和脉冲数p之间有着正比关系，其谐波电流的平方根均值和脉冲数p之间又有着反比关系。所以在进行谐波治理的过程中，如果想要降低整流所产生的谐波电流，则可以将整流装置中的脉冲数进行适量的增加，这样就可以让谐波得到有效的治理。

3.2 变压器接线方式的合理设置

通过各种变压器接线方式的混合使用，可以让5次谐波和7 次谐波之间相互抵消掉。在共用电网的运行过程中，谐波大多来源于变压器，且和变压器绕组接线的方式有着直接关系。例如，在10 kV 的配电系统中，变压器绕组接线的方式通常是Dyn 形式或者是Yyn 形式，在110 kV 和220 kV 电力系统中，变压器一次侧的绕组接线方式通常是星型，二次侧的绕组的接线方式通常是三角型[4]。通过这样的绕组接线方式的不同，就可以让整个电力系统中的主要谐波电流得到有效削减。

3.3 串联电抗器的应用

对于没有电抗器的用户端电容器，应该通过串联的方式接入电抗器，以此来起到谐波治理的效果。对于已有电抗器的用户端电容器，应该将其抗高次谐波能力进一步增强，通过这样的方式，就可以有效抑制高次谐波对电容器的不利影响。

3.4 供电和电力网接线方式的优化

电力单位可以对电力电网接线的方式加以优化，并对其适当进行切换。这种保护措施应该根据电力网络的实际结构来实施，进而让电力系统中的谐波实现合理化的分布。同时，也可以鼓励用户多在用电低谷期用电，少在电网负载较高的用电高峰期用电，这样才可以有效避免电力系统中负载过大而产生谐波，进而有效避免谐波对电力系统的不利影响。

3.5 LC 滤波器的加装

为了让电力谐波得到有效治理，可以将LC 滤波器加装在谐波源附近，使其对谐波进行就近吸收。在工频的条件下，滤波器也可以为电力系统提供出无功补偿，使其功率得到合理改善，进而对高次谐波的产生起到一个有效的抑制作用。

4 结 论

电力谐波会对供配电系统的正常运行带来很大程度的不利影响。所以，相关单位应该对此加以重视，并通过合理的策略来进行谐波治理。这样才可以有效保障电力系统的正常运行，提升设备的运行安全和使用寿命，满足人们的用电需求，促进电力企业经济效益的提升。