低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及治理設(shè)計(jì)方法

國(guó)網(wǎng)寧波慈溪供電公司、浙江東禾工程設(shè)計(jì)有限公司的研究人員茅靖、方健美，在2017年第11期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負(fù)荷應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益加重，因此諧波治理已成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文主要闡述了諧波污染及其危害，諧波治理及其抑制的方法，并對(duì)產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備做了具體的分析。前言一個(gè)理想的電力系統(tǒng)應(yīng)該具備一個(gè)恒定的頻率和恒定的正弦波形，并按照特定的電壓標(biāo)準(zhǔn)向電網(wǎng)及電力用戶提供相對(duì)比較理想的電源。電能質(zhì)量一般由電源的頻率、電源的幅值和電源的波形畸變來體現(xiàn)。發(fā)電廠調(diào)節(jié)并控制電力系統(tǒng)的振幅和頻率，非線性負(fù)荷引起波形畸變。對(duì)于電阻，電阻加熱絲，磁感應(yīng)，白熾燈等這些傳統(tǒng)線性負(fù)荷，其電流波形為正常的正弦波。而對(duì)于家用視聽設(shè)備，電視機(jī)，電氣設(shè)備，焊接設(shè)備，復(fù)印機(jī)，逆變器、中頻電爐、超聲波裝置、計(jì)算機(jī)，通信設(shè)備，變頻器，冷軋鋼機(jī)、充電電氣設(shè)備，變頻空調(diào)，電動(dòng)機(jī)、熒光燈，不間斷電源等這些非線性負(fù)荷，其電流波形為非正常的正弦波。由于電網(wǎng)及電力用戶中存在著這些非線性負(fù)荷，導(dǎo)致了大量諧波的產(chǎn)生，而大量諧波的產(chǎn)生不僅危害著電能質(zhì)量、而且危害著電力用戶。諧波的存在使得電網(wǎng)電壓降低，線路損耗增加，造成電網(wǎng)容量的浪費(fèi)；諧波的存在使得設(shè)備的穩(wěn)定性降低，導(dǎo)致各類自動(dòng)及保護(hù)裝置誤動(dòng)作；諧波的存在使得電動(dòng)機(jī)效率降低，增大了電動(dòng)機(jī)的工作噪聲；諧波的存在使得電力變壓器的鐵損及銅損增加，影響著電力變壓器的使用效率，縮短了電力變壓器的使用壽命；因此諧波的治理刻不容緩。諧波的表示方法（略）產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備、電子設(shè)備在當(dāng)今社會(huì)應(yīng)用相當(dāng)廣泛，例如：中頻電爐，超聲波裝置，家用視聽設(shè)備，電力電容器，電視機(jī)，電氣設(shè)備，焊接設(shè)備，復(fù)印機(jī)，逆變器、計(jì)算機(jī)，通信設(shè)備，變頻器，充電電氣設(shè)備，變頻空調(diào)，電動(dòng)機(jī)、熒光燈，不間斷電源等電氣設(shè)備。這些電氣設(shè)備具有明顯的非線性特性，工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流和諧波電壓，當(dāng)此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值，則將會(huì)危害電力用戶和電網(wǎng)?？照{(diào)機(jī)電氣設(shè)備：由于空調(diào)機(jī)電氣設(shè)備功率較大，每臺(tái)功率500W到數(shù)千瓦不等，根據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果表明：空調(diào)機(jī)諧波電流的大小隨著工作狀態(tài)的變化而變化，制熱狀態(tài)下THDI%在22?34%區(qū)間；制冷狀態(tài)下在20?27%區(qū)間；只開風(fēng)扇未制熱制冷狀態(tài)下在6?9%區(qū)間，在此工作狀態(tài)下以2?17次諧波為主?？梢?，無論是制熱還是制冷工作狀態(tài)下，THDI都不是很小，甚至有可能還比較大。電池充電器等電氣設(shè)備：用于各種對(duì)充電電池充電的裝置均可稱之為電池充電器，此類電氣設(shè)備的諧波含有率取決于電池的數(shù)量和容量。隨著全球氣候變暖、資源枯竭、以及國(guó)家節(jié)能減排的優(yōu)惠政策的驅(qū)動(dòng)下，屬于新能源行列的電動(dòng)汽車在未來將會(huì)被廣泛的應(yīng)用，因此未來它可能成為主要的產(chǎn)生諧波電流、諧波電壓的家用電器之一。因?yàn)槌潆娖鞯倪B接與單相共整流電路相同，通過對(duì)電流的分解即可獲得高次、奇次、以及各次諧波電流。作為電源系統(tǒng)的負(fù)荷之一，變壓器的勵(lì)磁電流也應(yīng)考慮在內(nèi)。對(duì)于充電器，在負(fù)荷電流中的勵(lì)磁電流的比例是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電力變壓器，因此充電器等電氣設(shè)備的諧波危害亦不容忽視。計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備：一般計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備諧波電流和諧波電壓及用電負(fù)荷的非線性用電主要來自顯示器CRT。由于家用計(jì)算機(jī)和商場(chǎng)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及以及計(jì)算機(jī)電氣設(shè)備的諧波含有率相對(duì)比較高，這將引起電視機(jī)的諧波電流和計(jì)算機(jī)的諧波電流相位重合的可能性大大增加，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波效應(yīng)會(huì)迅速增加，因此計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的諧波危害顯而易見。穩(wěn)壓泵、消防水泵、消防電梯、不間斷電源、生活水泵等電氣設(shè)備主要諧波含量為5、7、9次諧波，以5次諧波比重較大。電視機(jī):電視機(jī)群是電網(wǎng)及電力用戶諧波影響最大的家用電器之一。同一相電壓向多臺(tái)電視機(jī)供電具有相同的諧波相位，當(dāng)同時(shí)使用率相對(duì)較高時(shí)，則造成配電網(wǎng)諧波也相應(yīng)的增加，尤其是9次諧波、7次諧波、5次諧波和3次諧波最為嚴(yán)重。熒光燈:不同的熒光燈諧波電流含有率存在較大差異，因?yàn)椴煌臒晒鉄舨捎玫恼髌饕膊煌?，而諧波電流的產(chǎn)生很大一部分都由熒光燈整流器產(chǎn)生。在以往普通的長(zhǎng)管熒光燈為主要的照明燈具，但現(xiàn)在照明燈具越來越多樣性，越來越多的采用緊湊型燈具，在各種各樣的燈具滿足了人們需求的同時(shí)，也造成了諧波污染的多樣性。其中電子鎮(zhèn)流器脈沖型各奇次含有率亦高達(dá)15?18%，特別是3次諧波居然高達(dá)70?80%,3次諧波含有率較高的繞線式鎮(zhèn)流器，一般可達(dá)8?10%。諧波次數(shù)越高，含有率則越低；高頻時(shí)各次諧波含有率相對(duì)比較低，一般可達(dá)3?15%左右。諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害是比較嚴(yán)重的，主要體現(xiàn)在：（1） 部分供電線路的損耗由諧波引起。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的損失和浪費(fèi)；諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導(dǎo)體絕緣，同時(shí)高頻諧波可能造成集膚效應(yīng)降低電纜的載流能力。（2） 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波電流的存在導(dǎo)致電力變壓器產(chǎn)生附加的損耗，從而引起過載、過熱，加速了絕緣介質(zhì)的老化，導(dǎo)致絕緣損壞。正序和負(fù)序諧波電流在旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)定子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，發(fā)熱增加。而正序和負(fù)序諧波電流在同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子中分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，造成局部發(fā)熱，縮短其使用壽命。（3） 諧波電流不但會(huì)使電子電氣設(shè)備出現(xiàn)較大的誤差，甚至引起電子電氣設(shè)備的失靈。諧波電流及諧波電壓影響通訊及通信設(shè)備一般通過磁感應(yīng)、電容耦合、電感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)等方式,磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)電感應(yīng)及電容耦合等方式對(duì)低頻信號(hào)影響更大。例如變流器等電氣設(shè)備在換相時(shí)注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率，甚至可以達(dá)到1MHz,這些諧波頻率將會(huì)影響通信設(shè)備、通信線路的正常工作，從而導(dǎo)致通信系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。（4）使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。對(duì)諧波頻率比較敏感的電力電容器,因其自身的容性阻抗特性，以及頻率與容抗成反比的特性,使得諧波電流容易被電力電容器吸收從而引起電容器發(fā)熱過載。此外，基波電壓與諧波電壓疊加時(shí)使電壓波形增多了起伏，傾向于增多每個(gè)周期中局部放電的次數(shù)，相應(yīng)地增加了每個(gè)周期中局部放電次數(shù)的功率，使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。諧波限值針對(duì)目前電網(wǎng)受諧波影響，國(guó)家也是規(guī)定了一些相關(guān)規(guī)范，電力諧波時(shí)刻危害著電力用戶和電網(wǎng)，因此，國(guó)內(nèi)和國(guó)際已公布相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及其制定了相應(yīng)的措施從而到達(dá)限制電力諧波的目的，防止其對(duì)電力用戶和電網(wǎng)的危害。例如：限制公共電網(wǎng)諧波的GB/T14549-1993、IEEE519-1992、公用電網(wǎng)間諧波GB/T24337-2009.IEC61000-3-4、IEC61000-3-2、GB/Z17625.6-2003、GB/Z17625.1-2003等相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。所有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)都基于以下目標(biāo)：（1）對(duì)其他系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾，使其在正常的狀態(tài)下工作；（2）根據(jù)用戶需求的電壓波形向用戶供電，使其滿足用戶的需要；（3）根據(jù)系統(tǒng)及其所接設(shè)備能夠允許的水平，將電力系統(tǒng)電流和電壓波形的畸變控制在一定的范圍內(nèi)。注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和公用電網(wǎng)諧波電壓限值如下：表1公用電網(wǎng)諧波電壓限值（GB/T14549-1993）

電網(wǎng)標(biāo)稱電壓./kw［電壓總諧波?畸變率,嫁■&次諧波電壓含有率口偶次Q038^ '534324.CM3.2p1Q工仙2.443LA廠T表2注入公共鏈接點(diǎn)的諧波電流允許值(GB/T14549-1993)標(biāo)電,-kV^基準(zhǔn)短路容量/MVA歲諧泯次數(shù)及諧滋電流允許値』皿如4^6P7^8^恥0.38^10P78^G2P如44P19^屏100^43^34^2214^24Pilv12100^臨222曲血舁1舁活4存6一帥3舁鮎血1知12存7.7^倂5.1^畑3.8p4.1^昭5Q21*13心8.N1*皿9.并4.1^43HOP750^12^9血639?4.0+>6.8^3.DP'3.2^標(biāo)準(zhǔn)電壓ZLW:基準(zhǔn)矩路容量/MVAf?諧波次數(shù)及諧渡電謊允許值」*10431212^□屮14*115^血。一如12心珈w121加9A咖石沖102g-%i石心7313^32&皿5.3^1212100^d鈿4腫7.?p3.7^4一1寂3.2.^6.0^35^250^3.14?久站Z硼4升2.2^上知J.9PM劑昭502332.7^32一3屮2dN0P3.8^HOP750^2.4^4.3^2.0P3.7P1.7^131.5P2.8^標(biāo).電壓基準(zhǔn)拒路容量ZMV￥諧液次數(shù)及諧液電流允許值'曲 -18^19^2221^22^23^24^2火Q.3S^1OP■碇際7.&P8.9P14P6.SP1加卻100^4.7^4343事弘7.4^3?6.8^12100^2-8衛(wèi)5.4^N彌2.3^4一知N24卻35^250^17^3.2^1.5^1.4^2.7^1.3P2.5^治理諧波的措施當(dāng)諧波電壓超過連接點(diǎn)處的限值，諧波源的自然功率因數(shù)較高（如核磁共振機(jī)、變頻調(diào)速器等電氣設(shè)備），非線性負(fù)荷的諧波電流較大，諧波波頻較寬（如大功率電氣設(shè)備）時(shí)，諧波按下列原則進(jìn)行治理：（1）采用專用配電回路或?qū)Ｓ米儔浩鞴╇姡唬?）當(dāng)非線性負(fù)荷容量占配電變壓器容量的比例較大，設(shè)備的自然功率因數(shù)較高時(shí)，應(yīng)在變壓器低壓配電母線側(cè)集中裝設(shè)有源電力濾波器；（3）當(dāng)配電變壓器僅為少數(shù)重要的非線性設(shè)備提供電源時(shí)，宜采取就地裝設(shè)有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設(shè)備對(duì)每臺(tái)產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備進(jìn)行抑制及治理；選擇合理的供電和配電系統(tǒng)應(yīng)按照以下原則進(jìn)行配置：將線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷的供電電源有效的進(jìn)行隔離；盡可能的將非線性負(fù)荷設(shè)置在電源端；由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電。（1）對(duì)于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設(shè)備（醫(yī)療建筑中的核磁共振機(jī)、CT機(jī)、X光機(jī)加速器治療機(jī)、整流裝置、變頻、大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等諧波源）應(yīng)采用專路供電。（2） 合理配置諧波源，同一段母線上宜接具備互補(bǔ)功能的諧波源設(shè)備，從而達(dá)到互相抵消諧波的目的。（3） 將單相負(fù)荷、兩相負(fù)荷等不對(duì)稱負(fù)荷分散接到不同的供電點(diǎn)上或均勻合理的分配到各相，從而改善三相不平衡度，達(dá)到抑制和治理諧波的目的。三相不平衡引起電壓不平衡，而不平衡的電壓將導(dǎo)致半導(dǎo)體變流設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波電流（非特征諧波）。由此可見，三相平衡具有一定的抑制諧波的作用。Dyn11型結(jié)線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性，在進(jìn)行電力變壓器選擇時(shí)，Dyn11可作為首選。對(duì)容量較大，頻譜特性復(fù)雜，自然功率因數(shù)較低，負(fù)荷比較穩(wěn)定，3、5、7次諧波含量高的諧波源，抑制此類諧波源可采用有源與無源電力濾波器共同來完成。無源電力濾波器是由濾波電容器、電阻器和電抗器適當(dāng)組合而成。它包括三種基本形式：并聯(lián)濾波、串聯(lián)濾波和低通濾波。并聯(lián)濾波同諧波源并聯(lián)，不但具有濾波作用，而且還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔茫淮?lián)濾波主要適用于三次諧波的治理；低通濾波主要適用于高次諧波的治理。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，且易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使無源電力濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器能對(duì)幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，無諧波放大的危險(xiǎn)。電力系統(tǒng)的諧波干擾包括系統(tǒng)外部諧波干擾和系統(tǒng)內(nèi)部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統(tǒng)外部，應(yīng)盡可能的避免串聯(lián)諧振的發(fā)生；以5次和7次為主的諧波干擾，應(yīng)避免串聯(lián)諧振發(fā)生；諧波干擾屬于電力系統(tǒng)內(nèi)部的，應(yīng)以抑制和濾除為主。為抑制及治理諧波源在工程設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用無功功率補(bǔ)償電力電容器組串聯(lián)電力電抗器的方案，電力系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波的頻率高于L-C串聯(lián)支路的諧振頻率，可有效避免系統(tǒng)諧波放大效應(yīng)。依據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率選擇應(yīng)根據(jù)電容參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)經(jīng)相關(guān)計(jì)算分析來綜合考慮確定，串聯(lián)電力電抗器的電抗率取值范圍應(yīng)滿足下列要求：用于限制諧波時(shí)，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電力電容器電氣設(shè)備接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測(cè)量值進(jìn)行選擇。當(dāng)諧波為3次及以上時(shí)，電抗率取值應(yīng)在12．0%左右，亦可采取4.5%-5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式；當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，電抗率取值應(yīng)在4.5%~5.0%區(qū)間；僅用于抑制涌流時(shí)，電抗率取值應(yīng)在0.1%?1.0%區(qū)間。諧波隔離抑制裝置應(yīng)裝設(shè)在用電設(shè)備前。配電線路上的變頻設(shè)備，應(yīng)靠近被控設(shè)備安裝。將敏感信息技術(shù)電氣設(shè)備置于干擾源附近（如不間斷電源、家用視聽設(shè)備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等）不合適。諧波抑制及治理的容量設(shè)計(jì)7.1諧波電流的估算由于諧波電流本身的計(jì)算與測(cè)量相對(duì)比較復(fù)雜，數(shù)據(jù)的收集亦相對(duì)比較困難，對(duì)于諧波電流的近似估計(jì)可采用下列公式：?XK±XTHDt片砂V3Xt/5X71+THDf（6）式中：K1——配電變壓器的負(fù)荷率，常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)一般取0■廠。?8；屮加仍一為電流總諧波畸變率，驗(yàn)/取值如下〔表3）…表3電流總諧波畸變率表…建翁類型P典型THDMVWWWVXXV*\ 主要諧波源卩辦公屮15%^計(jì)算機(jī)設(shè)備.中央空調(diào).各類節(jié)能燈、辦公類用電設(shè)備、大型電梯口醫(yī)療甲2%宣要醫(yī)療謨備、核磁共振設(shè)備、加速器.CT.X光機(jī)*UTS等芒通信*35%^丈功率W開關(guān)電源*金融中2%UPS.電子設(shè)備、空調(diào)、電梯屮THS20%^變攧驅(qū)動(dòng)s肓流調(diào)速驅(qū)動(dòng)心水處理“' 25^變頻器.軟啟動(dòng)黠總茍?zhí)?田*眾舞TFTK-7.2諧波補(bǔ)償裝置的容量估算和選型可根據(jù)估算的諧波電流值進(jìn)行設(shè)備選型，亦可根據(jù)公共聯(lián)接點(diǎn)（PPC）或內(nèi)部聯(lián)接點(diǎn)（IPC）對(duì)諧波的要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的選型。（1）采用無源濾波電氣裝置時(shí)，可按每千乏（kvar）無功容量折算成電流后按0.2~0.3的系數(shù)來計(jì)算諧波抑制電流（當(dāng)非線性負(fù)荷較多時(shí)，則取0.25）。例如200kvar的無功容量其消諧式無功補(bǔ)償電流大約為288A，此時(shí)按系數(shù)0.25折算，即可抑制72A的諧波電流。（2）可依據(jù)諧波電流估算值的大小來進(jìn)行設(shè)計(jì)選型有源濾波電氣（3）計(jì)算舉例如下：當(dāng)選擇配電變壓器容量為1600kVA，電流總諧波畸變率取值為25%，配電變壓器的負(fù)荷率取值為0.8，配電變壓器變比為10/0.4kV時(shí)，根據(jù)上述公式可得出諧波電流值為448A。消諧式無功補(bǔ)