電能質(zhì)量的好壞諧波

1、電能質(zhì)量的好壞， 直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量， 評(píng)價(jià)電能質(zhì)量有三方面標(biāo)準(zhǔn)。 首先是電壓方 面，它包含電壓的波動(dòng)、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動(dòng)；最后是電壓的波形 質(zhì)量， 即三相電壓波形的對(duì)稱性和正弦波的畸變率， 也就是諧波所占的比重。 我國對(duì)電能質(zhì) 量的三方面都有明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設(shè)備 在電網(wǎng)中大量投運(yùn)， 造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。 它不僅增加了電網(wǎng)的供電損 耗，而且干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行， 造成了這些裝置的誤動(dòng)與拒動(dòng)， 直 接威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。 舉個(gè)常見的例子來說， 電子節(jié)能燈在使用量

2、所占比重較小的電網(wǎng)中 運(yùn)行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量 投運(yùn)節(jié)能燈后， 就會(huì)發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。 這是由于節(jié)能燈是非線性負(fù)荷， 它產(chǎn)生 較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)， 造成三相負(fù)荷基本平衡情況下， 中心線電流居高不下， 線電 壓與相電壓之比比：1 要小得多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設(shè)備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加， 使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴(yán)重， 嚴(yán)重影響其使用壽命。 因此我們對(duì)非線性用電設(shè) 備產(chǎn)生的諧波必須進(jìn)行治理，使諧波分量不超過國家標(biāo)準(zhǔn)。一、電力系統(tǒng)中諧波的來源電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)

3、子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波， 因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真 的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)， 凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。對(duì)于諧波分量而言， 隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)， 但隨著科技進(jìn)步，可控硅、 IGBT 等電子勵(lì) 磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10以上時(shí)， 由于電機(jī)的磁飽和， 會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。 同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過 額定電壓 10%以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在 7 以下，所以發(fā)電、 變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小， 比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，

4、因此發(fā)電、 變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電 設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。 開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：電弧加熱設(shè)備是由于電弧在 70 伏以上才會(huì)起弧， 才會(huì)有弧電流， 并且滅弧電壓略低 于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性（如圖所示）。此外，弧電流

5、的波形還有一定的非對(duì)稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧 加熱設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18 次以下的低次諧波污染。其實(shí)電焊機(jī)在上世紀(jì)四、 五十年代已廣泛應(yīng)用。 由于當(dāng)時(shí)電弧加熱設(shè)備量少， 電焊機(jī)應(yīng)用的同時(shí)率就更小了， 對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響比較小， 但在當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時(shí)， 局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很 大，有較大的諧波影響。交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥 電壓時(shí)，電流為零 （如圖圖所示 ）。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加 入了儲(chǔ)能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控 制直流用電設(shè)備

6、的電壓和電流， 在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅， 這使得該類設(shè)備的諧波污染更 嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流 用電設(shè)備一樣， 它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流， 這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波 分量不僅有低次諧波，也有高次諧波 （如圖所示 ）。雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目 前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控 制變壓器初級(jí)電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外， 開關(guān)電

7、源的頻率比較高一般在 40kHz 左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)， 反射 40kHz 左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是應(yīng)用面最廣、量 最大的非線性用電設(shè)備， 它還有一定量的三次諧波， 造成配變的中心線電流居高不下， 而且 三次諧波還會(huì)通過配變污染到 10kV 電網(wǎng)。二、諧波治理的基本方法目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又可以采用變電所集中治理和 非線性用電設(shè)備處分散治理兩種方法。 按誰污染誰治理的原則， 應(yīng)該在非線性用電設(shè)備處分 散治理。但對(duì)于電腦， 彩電，節(jié)能燈等民用設(shè)備， 則只能進(jìn)行集中治理。1、減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離。 也

8、就是減少系統(tǒng)阻抗， 換句話說就是 提高供電電壓等級(jí)。 例如，在麗水電業(yè)局的遂昌鋼廠就取得了不錯(cuò)效果， 該鋼廠原是用 35kV 供電， 由兩個(gè) 110kV 變電所各架設(shè)一回 35kV 專線供電， 而它的主要用電設(shè)備是電弧爐， 雖 然進(jìn)行了五次、 七次諧波治理， 但在 110kV 的 35kV 母線上測得諧波分量仍接近或稍超國家 標(biāo)準(zhǔn)。但在麗水局在遂昌新建了一個(gè) 220kV 變電所而且離該鋼廠僅 4km左右，用 5回 35kV 專線供電，使 35kV 母線的諧波分量控制在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，此外該廠還使用了較大容量的同 步發(fā)電機(jī)，使這些非線性負(fù)荷的電氣距離大大下降， 使該廠生產(chǎn)的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害性下降，

9、 這種方法投資是最大的，往往需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。2、諧波的隔離。非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級(jí)電網(wǎng)，而且經(jīng) 過變壓器后， 還會(huì)影響到上幾級(jí)電網(wǎng)。 如何把這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響或少影 響其他幾級(jí)電網(wǎng)， 這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。 這一方法在電網(wǎng)中廣泛采用， 發(fā)電機(jī)發(fā) 出的電能經(jīng)過 Y/ 、 Y0/ 、 Y0/Y 等接線組別的變壓器，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三次、九次等零 序分量的諧波與上級(jí)電網(wǎng)隔離開來，因此在 110kV 以上高壓電網(wǎng)上，三、九次諧波分量很 小，幾乎是零。 而 10kV 由于大多數(shù)配變?yōu)?Y/Y0 接線， 35kV 也有少量 Y/Y0 接線的直配變，

10、因此在 10kV 和 35kV 系統(tǒng)中三、九次諧波分量會(huì)比高壓電網(wǎng)大。為了減少低壓對(duì) 10kV 電 網(wǎng)的影響， 我局現(xiàn)在 10kV 配電系統(tǒng)中推廣使用了 D，yn11 接線組別的配電變壓器， 有效的 減少了三、九次諧波的影響。3、安裝濾波器。 目前對(duì)變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法， 多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。有源濾波器的基本工作原理是把電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有 源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償， 這是諧波治理的發(fā)展方向。 目前由于功率電子元件容量做不大、 電壓做 不高， 而且成本很高，因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 功率電

11、子元件的成本下降，這一技術(shù)一定會(huì)在諧波治理上占主導(dǎo)地位的。無源濾波器是通過 L、C 串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振 時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小， 幾乎接近零， 這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè) 出口處， 從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小， 達(dá)到對(duì)該次諧波治理的目的。 串聯(lián) 無源濾波器多用于對(duì)五、 七、十一次諧波治理中， 而且往往同時(shí)采用兩組以上濾波器， 諧振 在五、七次，同時(shí)起補(bǔ)償電容器組的作用。目前，在電力行業(yè)中，它多用于 35kV 和 110kV 變電所的 10kV 母線上，兩組濾波器中的電容器容量大于變電所無功補(bǔ)償容量， 串聯(lián)電感后， 諧振在五、 七次

12、諧波頻率中， 使無源濾波器一物二用， 具體計(jì)算公式如下：上，電容器額定電壓多選用 11kV/因此，用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取 11.5kV/，用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取當(dāng)無源濾波器中， L、C 串聯(lián)諧振在 n 次諧波頻率時(shí)，電容器和電感在工頻時(shí)的參數(shù)：Xc n2XL 得，當(dāng) n5時(shí)， Xc52XL 25XLUc1.04U，Qc1.04QLC當(dāng) n7 時(shí)， Xc 72XL 49XL ，Uc1.02U，Qc1.02QLC般在電容器無串聯(lián)電感時(shí)，電網(wǎng)額定電壓為 10kV ，變壓所母線電壓在 10.5kV 以11kV/或 12kV/但是由于計(jì)算精度和電容器、 電感器的

13、制造精度等原因， 若按計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)來配備， 在標(biāo)準(zhǔn)化審查時(shí)就通不過， 為了保證串聯(lián)濾波器能在五、 七次諧波頻率時(shí)諧振， 我們要求電 感有一定的調(diào)節(jié)范圍，從而確保濾波器能正常工作。具體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時(shí)，則認(rèn)為濾波器已調(diào)試成功。三、諧波治理方法的總結(jié)和發(fā)展在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對(duì)稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存 在在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/、Y0/Y 、Y/接線組別進(jìn)行隔離。而 11、 13次以上諧波由于其頻率比較高， 而且輸電線路有一定電感量， 對(duì)地又有一定電容量， 相間及 線間也有一定電容量。 因此， 高次諧波在線路傳輸過程

14、中衰減比較快， 同時(shí)高次諧波在電網(wǎng) 中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對(duì)象。在 10kV 配電系統(tǒng)中，配變多采用 Y/Y0 接線， Y0 （ 400V ）側(cè)由于有非線性用電設(shè) 備，會(huì)產(chǎn)生三、五、七 次諧波，五、七次諧波可以用串聯(lián) LC 濾波器進(jìn)行治理，而對(duì)三 次諧波往往采用并聯(lián)諧振使三次諧波在主變一次側(cè)和二次側(cè)之間進(jìn)線隔離，其原理如下：當(dāng) L、C 并聯(lián)諧振在三次諧波頻率時(shí)，三次諧波電流流不過主變二次側(cè)線圈，從而 使主變一次側(cè)感應(yīng)不出三次諧波的電壓分量， 同時(shí)使中性線三次諧波電流大大下降。a、綜上所述， 對(duì)于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下四種基本方法：1、采用 Y0/、Y0/Y 、Y

15、/接線組別的變壓器， 隔離三、 九次諧波。2、采用 L、C 串聯(lián)無源濾波器，對(duì)五、七次諧波進(jìn)行治理。例如，麗水局的 110kV 景寧變電所由于 10kV 負(fù)荷中，中頻爐占有較大比重，從實(shí) 測數(shù)據(jù)看，主導(dǎo)諧波為 5、7，11，13，19，32，33，34，36，38 次。補(bǔ)償電容器的投入后， 對(duì)低次諧波有放大作用， 10kV 母線電壓畸變率由 6上升為 8.5，對(duì)高次諧波有一定濾波 作用，而且電容投入運(yùn)行后，會(huì)使電容器端電壓升高，導(dǎo)致電容器損壞。目前，在一、二段 母線上各加一組五次和七次濾波器（容量為200kVAR 18 只 五次； 200kVAR 12 次 七次）后，不但使五、七次諧波有明顯壓

16、制，而且提高了功率因素，使供電量增加、線損下降。具 體測試數(shù)據(jù)如下：總諧波3 次諧波5 次諧波7 次諧波11 次諧波治理前6.050.73.752.361.52電容器投入8.020.955.864.781.63治理后3.780.71.20.41.53、采用 L、C 并聯(lián)無源濾波器，對(duì)三次諧波電流進(jìn)行阻塞。例如，本市中心醫(yī)院的外科大樓及門診樓引入新的進(jìn)口設(shè)備，由于低壓系統(tǒng)有三次 諧波分量，造成新引入的醫(yī)療診斷設(shè)備不能正常運(yùn)作，醫(yī)院采用了L、C 并聯(lián)無源濾波器，串接在變壓器中性點(diǎn)上， 從而使三次諧波得到壓制， 使醫(yī)療診斷設(shè)備能夠正常工作。4、加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。b、對(duì)于非

17、線性用電設(shè)備的諧波治理方法有以下五種方法：1、對(duì)電弧加熱用電設(shè)備，采用多相（六相、十二相等）電弧爐變壓器，從而使低次 諧波分量下降，高次諧波分量上升。目前最常用的是Y/Y0 、/Y0 兩變壓器分別接兩臺(tái)相同容量的電弧爐，并使兩爐同步作業(yè)，通過 LC 串聯(lián)無源濾波裝置進(jìn)行局部治理，達(dá)到用電設(shè) 備產(chǎn)生的諧波不超標(biāo)。2、對(duì)于交流整流直流用電設(shè)備采用多相整流。 多相整流產(chǎn)生的諧波多為整流相數(shù) 1 次，對(duì) 12相整流設(shè)備，諧波分量最大是 11 次和 13次，而對(duì) 24相整流設(shè)備，則是 23次和 25 次。諧波頻率越高， L、 C 串聯(lián)濾波器的投資越小，諧波在輸電線路中傳輸衰減越快。3、開關(guān)電源設(shè)備諧波治

18、理。 工業(yè)用的典型設(shè)備是中頻爐， 目前廣泛采用 Y/Y0 、/Y0 兩臺(tái)變壓器初級(jí)并聯(lián)， 帶兩臺(tái)相同容量中頻爐同步運(yùn)行， 以提高整流時(shí)產(chǎn)生諧波的次數(shù)， 在 中頻變換中進(jìn)行 L、 C 串聯(lián)吸收 ,以減少中頻諧波反射到電源側(cè)，其接線如下圖所示，例如，浙江省青田縣特種鋼廠，引進(jìn)了美國生產(chǎn)的中頻爐，采用Y/Y0 、 /Y0兩臺(tái)變壓器分別接中頻爐，使其產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響明顯降低。4、變頻器的諧波治理。 在發(fā)達(dá)國家中是變頻器和變頻器諧波治理設(shè)備是配套供應(yīng)的， 由于變頻器的設(shè)備價(jià)格和配套的變頻器諧波治理設(shè)備的價(jià)格相差不多， 我國的好多用戶， 往 往只安裝變頻器， 不安裝配套的諧波治理設(shè)備。 隨著變頻技術(shù)的推廣， 會(huì)使電網(wǎng)中的諧波影 響加劇，因此希望用電管理部門做好用戶工作， 做到變頻器與配套的諧波裝置二者同時(shí)設(shè)計(jì)， 一起投運(yùn)。5、用戶側(cè)多投一些同步電動(dòng)機(jī)， 它一方面可以進(jìn)行無功補(bǔ)償， 減少電壓波動(dòng)及電壓 閃變，另一方面它又能吸收一部分諧波電流，對(duì)諧波治理也有很大好處。例如，遂昌鋼廠， 在同步電動(dòng)機(jī)全開時(shí)， 110kV 古市變和金溪變 35kV 母線的電壓，諧波分量基本能在允許范 圍內(nèi)， 如果同步機(jī)停運(yùn)， 則這