低壓配電系統諧波抑制及治理

發布日期：2018-01-17 來源：電氣瀏覽次數：800

隨著電力系統的迅速發展，電能質量問題越來越引起廣泛關注。由于各種非線性負荷應用普及，產生的諧波對電網的污染日益加重，因此諧波治理已成為國內外廣泛關注的課題。

一個理想的電力系統應該具備一個恒定的頻率和恒定的正弦波形，并按照特定的電壓標準向電網及電力用戶提供相對比較理想的電源。電能質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。

發電廠調節并控制電力系統的振幅和頻率，非線性負荷引起波形畸變。對于電阻，電阻加熱絲，磁感應，白熾燈等這些傳統線性負荷，其電流波形為正常的正弦波。而對于家用視聽設備，電視機，電氣設備，焊接設備，復印機，逆變器、中頻電爐、超聲波裝置、計算機，通信設備，變頻器，冷軋鋼機、充電電氣設備，變頻空調，電動機、熒光燈，不間斷電源等這些非線性負荷，其電流波形為非正常的正弦波。

由于電網及電力用戶中存在著這些非線性負荷，導致了大量諧波的產生，而大量諧波的產生不僅危害著電能質量、而且危害著電力用戶。諧波的存在使得電網電壓降低，線路損耗增加，造成電網容量的浪費；諧波的存在使得設備的穩定性降低，導致各類自動及保護裝置誤動作；諧波的存在使得電動機效率降低，增大了電動機的工作噪聲；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。

產生諧波的電氣設備、電子設備在當今社會應用相當廣泛，例如：中頻電爐，超聲波裝置，家用視聽設備，電力電容器，電視機，電氣設備，焊接設備，復印機，逆變器、計算機，通信設備，變頻器，充電電氣設備，變頻空調，電動機、熒光燈，不間斷電源等電氣設備。

這些電氣設備具有明顯的非線性特性，工作時都會產生大量的諧波電流和諧波電壓，當此類諧波電流及諧波電壓超過注入公共連接點的諧波電流允許值和公用電網諧波電壓限值，則將會危害電力用戶和電網。

諧波對電力系統的危害是比較嚴重的，主要體現在：

（1）部分供電線路的損耗由諧波引起。由于集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的損失和浪費；諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導體絕緣，同時高頻諧波可能造成集膚效應降低電纜的載流能力。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波電流的存在導致電力變壓器產生附加的損耗，從而引起過載、過熱，加速了絕緣介質的老化，導致絕緣損壞。正序和負序諧波電流在旋轉電動機定子中分別形成正向和反向旋轉磁場，導致電動機效率降低，發熱增加。

而正序和負序諧波電流在同步電動機的轉子中分別形成正向和反向旋轉磁場，造成局部發熱，縮短其使用壽命。

（3）諧波電流不但會使電子電氣設備出現較大的誤差，甚至引起電子電氣設備的失靈。諧波電流及諧波電壓影響通訊及通信設備一般通過磁感應、電容耦合、電感應及電氣傳導等方式, 磁感應、電氣傳導、電感應及電容耦合等方式對低頻信號影響更大。

例如變流器等電氣設備在換相時注入的高壓脈沖含有較高的諧波頻率，甚至可以達到1MHz，這些諧波頻率將會影響通信設備、通信線路的正常工作，從而導致通信系統處于癱瘓的狀態。

（4）使電力電容器產生發熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。對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熱過載。

此外，基波電壓與諧波電壓疊加時使電壓波形增多了起伏，傾向于增多每個周期中局部放電的次數，相應地增加了每個周期中局部放電次數的功率，使電力電容器產生發熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。

當諧波電壓超過連接點處的限值，諧波源的自然功率因數較高（如核磁共振機、變頻調速器等電氣設備），非線性負荷的諧波電流較大，諧波波頻較寬（如大功率電氣設備）時，諧波按下列原則進行治理：

（1）采用專用配電回路或專用變壓器供電；

（2）當非線性負荷容量占配電變壓器容量的比例較大，設備的自然功率因數較高時，應在變壓器低壓配電母線側集中裝設有源電力濾波器；

（3）當配電變壓器僅為少數重要的非線性設備提供電源時，宜采取就地裝設有源電力濾波器或者選用具備抑制諧波功能的設備對每臺產生諧波源的電氣設備進行抑制及治理；

選擇合理的供電和配電系統應按照以下原則進行配置：將線性負荷與非線性負荷的供電電源有效的進行隔離；盡可能的將非線性負荷設置在電源端；由短路容量較大的配電變壓器或不同母線段供電。

（1）對于功率較大且諧波含量較高的重要電氣設備（醫療建筑中的核磁共振機、CT機、X光機加速器治療機、整流裝置、變頻、大型計算機系統等諧波源）應采用專路供電。

（2）合理配置諧波源，同一段母線上宜接具備互補功能的諧波源設備，從而達到互相抵消諧波的目的。

（3）將單相負荷、兩相負荷等不對稱負荷分散接到不同的供電點上或均勻合理的分配到各相，從而改善三相不平衡度，達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致半導體變流設備產生附加的諧波電流（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型結線組別的三相電力變壓器具有抑制高次諧波的特性，在進行電力變壓器選擇時，Dyn11可作為首選。

對容量較大，頻譜特性復雜，自然功率因數較低，負荷比較穩定，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組合而成。

它包括三種基本形式：并聯濾波、串聯濾波和低通濾波。并聯濾波同諧波源并聯，不但具有濾波作用，而且還有無功補償的作用；串聯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是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，只能補償固定頻率的諧波，且易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使無源電力濾波器過載甚至燒毀。有源電力濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進行跟蹤補償，其補償特性不受電網阻抗和運行狀態的影響，無諧波放大的危險。

電力系統的諧波干擾包括系統外部諧波干擾和系統內部諧波干擾兩部分。諧波干擾屬于電力系統外部，應盡可能的避免串聯諧振的發生；以5次和7次為主的諧波干擾，應避免串聯諧振發生；諧波干擾屬于電力系統內部的，應以抑制和濾除為主。

為抑制及治理諧波源在工程設計中經常采用無功功率補償電力電容器組串聯電力電抗器的方案，電力系統中可能產生諧波放大的最低次諧波的頻率高于L-C串聯支路的諧振頻率，可有效避免系統諧波放大效應。

依據《并聯電容器裝置設計規范》相關規定，串聯電力電抗器的電抗率選擇應根據電容參數與電網參數經相關計算分析來綜合考慮確定，串聯電力電抗器的電抗率取值范圍應滿足下列要求：用于限制諧波時，電抗率應根據并聯電力電容器電氣設備接入電網處的背景諧波含量的測量值進行選擇。

當諧波為3次及以上時，電抗率取值應在12．0%左右，亦可采取4.5%-5.0%與12.0%兩種電抗率混裝方式；當諧波為5次及以上時，電抗率取值應在4.5%~5.0%區間；僅用于抑制涌流時，電抗率取值應在0.1%～1.0%區間。

諧波隔離抑制裝置應裝設在用電設備前。配電線路上的變頻設備，應靠近被控設備安裝。將敏感信息技術電氣設備置于干擾源附近（如不間斷電源、家用視聽設備、氣體放電燈、變頻器、配電變壓器、逆變器等）不合適。

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