低压配电系统谐波的产生及治理

郑立祥

（福建远恩智能技术有限公司，福建 福州 350000）

1 低压配电系统谐波的产生原因

人们生活中所使用的电器设备、大功率的焊接设备、通信设备以及信息设备等非线性负荷的电流波形为非标准正弦波。大多数成熟配电网和电力用户中都存在非线性负荷，也由此而产生了大量的谐波，严重影响了电网的电能质量。谐波的存在会使低压配电系统和电网电压发生偏差现象，导致配电系统线路损耗增加。很多非线性电气设备是从电网中取用非正弦电流，即使电源供给正弦波形电压，但由于设备具有其电流不随着电压变化的非线性电压和电流特征，使得流过电网的电流是非正弦波形。谐波的产生也会对电力设备的稳定性产生影响，导致低压配电自动系统和保护设施的误动。大量谐波进入电网后，电网阻抗产生谐波压降叠加在电网基波上，由此引发电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，就会影响电网自身以及用电设备的运行，甚至造成故障，加大电力变压器的铁损和铜损，缩短变电系统设备的使用寿命，对整个低压配电系统带来极大的损害[1]。

2 低压配电系统谐波的表现形式

谐波表现研究的有效方法通常是通过傅里叶分解的方法分析各组畸变波形。谐波畸变的度量所采用的总谐波畸变分为电压畸变率和电流畸变率，通过计算可以看出单次谐波畸变所采用的电磁谐波含有率较高，而单次谐波电流的含有率也表现出较大的有效值[2]。目前能够产生影响配电系统谐波的电气设备在人们的生活中普遍存在，如大多数城市的商业中心和酒店等服务性场所中所使用的空调机电气设备，生产型企业所使用的窑炉、不间断电源（UPS）、直流电源装置以及整流变压器等。这些电气设备都是具有代表性的非线性电气设备，在运行过程中电气设备的运行状态达到较高程度时会产生大量的谐波电流和谐波电压。经常会出现谐波电流和谐波电压超出低压配电系统连接端的允许值和低压配电网网间谐波电压荷载值，对电力系统和电网带来极大的影响和损耗。

3 谐波对测控关键设备的影响分析

3.1 典型的测控设备低压配电系统

测控设备低压配电系统一般采用双回路供电模式，两台变压器同时工作，互为热备份。正常时母联闭合，由其中一台变压器负责全部负载的供电，当其检修或故障时自动切换另一台变压器进行供电，从而保证测控设备的正常运行。测控设备主要用电负荷包括照明、水冷、通信、信号、综合监控以及伺服等。其测控设备低压配电系统简图如1所示。

图1 测控设备低压配电系统简图

3.2 谐波对配电设备的影响

谐波不仅会缩短变压器和配电线路等设备的使用寿命，而且会导致发生电气安全事故，还可能导致继电保护装置的误动作或不动作，这对于测控设备来讲是绝对不允许的。

3.2.1 对变压器的影响

对变压器来讲，谐波电流主要是增加其铜损和杂散损耗。测控系统电源设备的变压器通常采用的是Y_yno型接线，副边没有谐波通路，一旦受到谐波影响，变压器输出将会产生很大的畸变，大大增加了变压器的附加损耗，增大了电力设备的运行压力，直接影响变压器的使用效率和内部稳定[3]。同时，当高次谐波通过变压器时，还会引起变压器发热，产生很严重的噪声。设备长时间在这种谐波状态中运行，将会加速老化，降低绝缘性能，缩短寿命，并且还有可能发生一些不可预知的安全事故。

3.2.2 对输电电缆的影响

对于测控设备电源来讲，一般都是电缆传输。当谐波电流通过电缆时，将会使电缆的介质损耗增加，泄漏电流上升，无疑增大了局部放电和温升，从而缩短了电缆的使用寿命，大大增加了引起单相接地故障的隐患。与此同时，由于电缆的分布电容对谐波电流有一定的放大作用，因此在用电负载处于低谷时系统电压上升，谐波电压也会跟着相应升高。电缆的额定电压等级越高，谐波引起介质不稳定的危险系数就越高，更容易发生事故。

3.2.3 对零线的影响

零线也称为中性线，测控设备的输电线路一般采用三相四线制。三相线电流的矢量和就是零线的电流，是一种比较小的不平衡电流，通常其数值都不是很大。由于测控设备存在很多的非线性负荷，其必然会产生一定的谐波电流，而谐波电流又以3次谐波最为严重，这些谐波电流会在零线上累积，从而增加零线上的电流，破坏系统的平衡，不但增加了系统的损耗，而且还会使零线过载过热，这对配电系统来讲是十分危险的。零线断路或烧毁时，轻则会导致系统跳闸，严重会冲击整个测控设备，甚至损毁。

3.2.4 谐波对继电保护的影响

测控设备属于高度集成的自动化和信息化设备，其内部存在很多电磁式继电器、整流型继电器以及微机型整流器等各种自动装置。一旦测控设备的输入电源含有谐波分量，就会引起这些继电器动作特性发生畸变或动作效果下降，从而导致保护装置的误动作和拒动作，造成设备的瞬间瘫痪或不听指挥，无法完成跟踪测量任务，导致造成严重后果。

3.3 谐波对通信传输的影响

谐波对通信系统的影响一直是一个被行业十分重视的问题。众所周知，电流周围产生磁场，当通信线路与输电线中的谐波产生了能量上的交换时，会引起电磁干扰，造成通信信号失真，伴随着很强的噪声，降低通话的清晰度。目前，在实际工作中，由于各种客观原因或出于经济考虑，部分电缆和通信线缆往往并排敷设，这样配电网中的谐波分量必然会干扰通信信号，严重时还会引起信号丢失，大大影响测控设备的跟踪精度和相关数据传输。

4 低压配电系统谐波的治理策略

4.1 有源电力滤波器

有源滤波器是在供电系统的重要点位根据设备对谐波的抗干扰程度设置的动态有源滤波器，是一种主动式的滤波装置。近年来，以IGBT技术为代表的有源滤波技术开始大规模应用在配电系统中，其原理为通过数字信号处理和脉宽调制技术，根据检测到的谐波分量进行傅里叶分析，通过控制IGBT的触发将反向电流注入系统，实现谐波滤除和动态补偿的无功功率。其优点在于可以根据系统的谐波变换实时的进行跟踪补偿，且不受系统阻抗的影响，清除效果比较好，保证了系统安全，同时提高负荷功率，减少变压器的安装容量。缺点则是运行时损耗大，成本高，而且增加了系统的容性无功功率，无法控制变电站和配电系统连接处的功率因数。

目前，常用的有源电力滤波器包括并联型和串联型两种。二者治理谐波的方向不同，其中串联型装置在治理谐波电压问题时较为适用，而并联装置在治理谐波电流问题时较为适用。二者具有大致相同的谐波治理原理，并联装置在检测负载电流时，会通过使用计算方法计算谐波电流，然后向电网注入与计算结果相同的电流，从而实现治理谐波电流的目的。有源电力滤波器的优势主要包括以下几点，首先有非常快的相应速度，能够在极短的时间内对负荷谐波量的变化进行响应，可以对大部分情况下的补偿需要进行满足。其次系统阻抗不会对其运行造成干扰，具有十分稳定的补偿能力。再次很少与系统发生谐振。最后具有灵活的补偿方式，不仅可以补偿变化的谐波，还能补偿变化的无功功率。

4.2 无源滤波器

无源滤波器又被称为LC滤波器，属于一种集电容、电阻以及电感于一体经设计而构成的滤波设备，可以滤除一次或多次谐波。串联电感和电容的结构是最常用的无源滤波器结构，通过使用电容电阻固有的阻抗特性，可以根据不同的谐波频率提供不同的阻抗通道，这样一来，就会与电网阻抗形成分流的关系。滤波器也因此成了特定频率谐波的流入目的地，以此达成治理谐波的目的。这种治理方式具有使用方式简单且成本低廉的优势，但与此同时，也存在一些不足，具体表现为无源滤波器在系统阻抗的影响下，其滤波效果会不断下降，很难达成预期的治理目的。再加上无源元件容易与电网阻抗产生作用，导致发生谐振，而谐波在谐振的作用下被放大，从而影响电力系统的稳定性。

通过上述分析可知，无源滤波器在治理谐波时，可能会与低压配电系统产生其他作用，不利于低压配电系统的安全，而有源电力滤波器的动态特性显著，通过有效把控注入电流能够避免系统产生过补偿问题。因此有源与无源滤波器相比，其优势更为显著。

5 谐波治理方式

目前，常用的谐波治理方式包括集中补偿、就地补偿以及支路补偿3种，以下详细介绍集中补偿方式和就地补偿方式。

5.1 集中补偿方式

集中补偿方式就是将谐波补偿装置加装到用户用电系统和电网连接点处。通常情况下，变压器低压侧是主要安装位置。以某项目为例，分析其应用效果。

项目案例为在社会经济高速发展的背景下，单晶硅这种高科技资源受到了人们的高度关注，其生产工艺较为简单，主要包括熔融加热和直流加热两种加热方式。这两种加热方式虽然采用的设备不同，但均采用了半导体可控整流方式，因此在实际加热过程中产生的谐波数量巨大，对电网造成的谐波污染不容忽视。在这些谐波的影响下，电力系统中的电气设备很难发挥作用，系统无功补偿也受到了影响，导致低压配电系统在供电过程中，损失了大量的电能。

其对应的治理方案为通过工作人员了解谐波产生的原因，然后通过使用集中补偿方式，在补偿和负载之间安装有源滤波器，以实现完全滤除系统谐波的目的。此外，在谐波完全滤除后，无功补偿装置正常工作，保证了电力系统运行的质量。通过合理使用有源电力滤波器，改善了低压配电系统的质量，使谐波得到了有效治理。

5.2 就地补偿方式

就地补偿方式是指在谐波源交流进线处安装滤波器，然后利用滤波器的就近补偿谐波滤除低压配电系统中的谐波，以保证系统的安全。本文以某项目为例，分析治理方案。

项目案例为某服装加工厂应用了大容量的电脑织机和UPS等主要负载。由于UPS属于非线性负载，因此在运行过程中产生了大量的谐波电流，在谐波的影响下污染了低压配电系统。

其对应的治理方案为技术人员通过试验的方式，明确了谐波出现的原因，从而采用就地补偿方式滤除谐波。应用就地补偿方式后，谐波由28.9%下降到了7%，谐波滤除率高达75%以上。

6 结 论

谐波的产生与科学研究设备、人们生活用电子设备以及电气设备的大量使用有关，为低压配电系统带来了影响。谐波的治理和抑制需要电力企业和城市电网的不断更新和低压配电系统设备的研究与技术性替换，跟据供电结构和设备的实际运行状况，选择具体有效且科学合理的谐波治理方法，从而不断提高配电系统的稳定性和测控设备的绝对安全。