工業(yè)供配電的諧波危害及治理技術(shù)措施研究

李毅

（昆明煤炭設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051）

電網(wǎng)諧波是電網(wǎng)中存在的除基波電壓、電流之外的高次諧波分量，對設(shè)備來說它會造成絕緣破壞、損耗增加、甚至誤動作，對電網(wǎng)也會增加變壓器損耗、較大的零序諧波電流甚至?xí)龤щ娏骰ジ衅鞯汝P(guān)鍵元器件造成供電事故。隨著我國現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，非線性用電設(shè)備越來越多，因此出現(xiàn)了大量的諧波源，這些諧波造成電網(wǎng)品質(zhì)嚴(yán)重下降，供電可靠性降低，大大的增加了電力損耗，電網(wǎng)可用容量也大幅度下滑。

1 諧波的產(chǎn)生、危害和影響

好的供電系統(tǒng)給用戶提供的是完美的正弦波形電壓，也就是我們所說的理想的恒壓源系統(tǒng)，它需要電源系統(tǒng)極低的內(nèi)阻（近乎為零）。然而，供電系統(tǒng)容量都是有限的，直流變送系統(tǒng)、大功率單相整流系統(tǒng)、IGBT 斬波

器（如變頻調(diào)速、大功率可控硅器件）等均為非線性負(fù)荷，其電流與所施加的電壓不是線性關(guān)系，而是形成了非正弦波電流，而非理想的電源系統(tǒng)會對非線性的電流產(chǎn)生反應(yīng)，從而出現(xiàn)非正弦波分量的電壓，這就是諧波。諧波主要有以下幾方面的危害和影響。

1.1 引起電網(wǎng)諧振

因電網(wǎng)中的分布電容與系統(tǒng)中感性元件的組合，在一定的頻率下可能形成串聯(lián)或并聯(lián)的條件，當(dāng)系統(tǒng)中存在某次諧波正好與諧振頻率吻合且能量足夠大時(shí)，就會造成危險(xiǎn)的過電流或者過電壓。

1.2 引起設(shè)備損耗增加

高次諧波施加于電容器兩端時(shí)，由于電容器對高頻的阻抗不大，導(dǎo)致電容電流也大大增加，電容器損耗也隨之大大增加。高次諧波在變壓器中會產(chǎn)生高頻渦流，導(dǎo)致器材損耗加劇，變壓器有效容量降低。

1.3 對電動機(jī)影響

因高次諧波的趨膚效應(yīng)首先會產(chǎn)生附加損耗，其次負(fù)序諧波會產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)動的脈動轉(zhuǎn)矩，會使轉(zhuǎn)子不規(guī)則振動，電機(jī)發(fā)出嘯叫。

1.4 對變壓器影響

諧波可使變壓器的渦流及磁滯損耗轉(zhuǎn)矩，3 及3 的倍數(shù)次的零序諧波，還會在三角形連接的繞組中形成環(huán)流，進(jìn)一步增加變壓器損耗甚至使變壓器過熱。

1.5 對輸配線路影響

線路感抗隨頻率升高而增加，因集膚效應(yīng)高次諧波感抗越大損耗從而也越大，且零序諧波會在中性線上疊加，有可能中性線過熱甚至燒毀。

1.6 破壞設(shè)備絕緣

高次諧波電流會對旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器以及其他電器設(shè)備造成損耗加劇，引發(fā)局部加熱，加速了絕緣介質(zhì)的老化，導(dǎo)致絕緣被破壞。大量的諧波會使電源形成幅值極高的尖峰電壓，直接破壞設(shè)備絕緣，導(dǎo)致電纜發(fā)熱，引發(fā)火災(zāi)問題。

1.7 干擾電子控制設(shè)備

在電子設(shè)備中出現(xiàn)諧波問題，會產(chǎn)生誤操作的現(xiàn)象，影響電子元件的正常運(yùn)行。

1.8 影響繼電保護(hù)

諧波問題出現(xiàn)可能會引發(fā)繼電保護(hù)現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樵O(shè)備受到相位變化出現(xiàn)誤動或者拒動問題。對于不接地系統(tǒng)中的電壓互感器，由于諧波產(chǎn)生的零序電流會導(dǎo)致電壓互感器燒毀從而使繼電保護(hù)系統(tǒng)失效。

1.9 影響儀器有效性

諧波會造成有效值的改變，導(dǎo)致測量儀器出現(xiàn)誤差，此外諧波還會導(dǎo)致通訊設(shè)備出現(xiàn)雜音以及故障等問題。諧波分解示意圖如圖1。

圖1 諧波分解示意圖

2 諧波限值及諧波檢測的方法

2.1 加強(qiáng)諧波檢測

電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷以及沖擊性負(fù)荷較多，會產(chǎn)生諧波電流并產(chǎn)生上述危害，想要減小危害，就需要對諧波進(jìn)行治理，而之前必須對諧波進(jìn)行檢測，對干擾源進(jìn)行鑒別，這樣可以快速發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中出現(xiàn)的諧波，并且有針對性的提出解決措施，利用科學(xué)可行的手段對重點(diǎn)污染線路展開諧波治理。

2.2 公用電網(wǎng)對諧波的限值

表1為《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊》中公用電網(wǎng)諧波電壓限值。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值

根據(jù)表1 可知，電網(wǎng)標(biāo)稱電壓越高，允許的總諧波畸變率越小，也就是說，電網(wǎng)電壓越高，諧波危害造成的范圍會越廣，所以控制越嚴(yán)格。

2.3 諧波檢測的方法

現(xiàn)階段國內(nèi)外諧波檢測的方式主要有兩種，分別是非參數(shù)化以及參數(shù)化。其中非參數(shù)化的方式主要包括快速傅里葉變換、瞬時(shí)無功功率理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波分析法。非參數(shù)化中，快速傅里葉變化具有多功能、計(jì)算容易的特點(diǎn)，但是存在頻譜泄露體積欄柵效應(yīng)的問題，對檢測的精準(zhǔn)度難以保證；瞬時(shí)無功功率理論具有較強(qiáng)的時(shí)效性，無法滿足快速檢測諧波的需求；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測速度較快，但是硬件實(shí)現(xiàn)較為困難；小波分析法具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性以及動態(tài)性，但是高頻部分分辨率低，并且無法尋求合適的小波函數(shù)。參數(shù)化方式主要有自回歸-滑動平均模型譜估計(jì)法以及Prony 法，對頻率分辨率提升有重要的促進(jìn)意義，但其精準(zhǔn)度會受到AR 模型階數(shù)以及噪聲問題影響。Prony 能夠直接對信號進(jìn)行分析，但是計(jì)算量較大并且對噪聲較為敏感，因此需要利用最小二乘意義上的擬合，進(jìn)一步改善測量過程中出現(xiàn)的噪聲問題，促進(jìn)實(shí)時(shí)處理能力提升。

2.4 建議的諧波檢測方法及諧波檢測的過程

信號處理過程中包括基于頻域理論的處理防范以及基于時(shí)域的處理方法，從諧波檢測層面來看，模擬濾波處理器就是基于頻域的理論方式，此種方式用于諧波檢測的時(shí)間較長。檢測原理是借助濾波器將基波電流分量濾除，以此獲取諧波分量或者使用通濾波器獲得基波分量，再和檢測電流相減，進(jìn)而獲得諧波分量。該檢測方式使用起來較為簡便、消耗的成本較低、輸出阻抗較小、相關(guān)因素也能被科學(xué)管控，然而在獲得穩(wěn)定以及理想的相幅頻特性上較為困難，且一組濾波電路只能對某個頻率的諧波進(jìn)行檢測，電網(wǎng)頻率波動時(shí)，檢測的精準(zhǔn)度無法得到保障。因此，在諧波檢測的工作進(jìn)程中，還需要使用傅里葉變換法以及其他多樣化的檢測方法。

3 諧波治理技術(shù)措施

（1）從負(fù)載端減少諧波。如前所述，首先諧波就是非線性負(fù)荷所引起的，所以盡量不用或少用非線性負(fù)荷的設(shè)備是減少諧波的最直接的方法，如盡量不使用氣體放電燈、減少變頻空調(diào)的使用等。

（2）必須要使用變頻器等換流設(shè)備時(shí)，盡量采用高脈動（或者說多電平）的換流裝置，脈動數(shù)高，輸出的波形越接近正弦波，諧波也就會越小。

（3）變壓器盡量采用Y 型接法，可以使3 及3 的倍數(shù)以上的諧波沒有通路，可以有效抑制諧波。對于我們大多數(shù)廠礦來說，電源多為10kV，設(shè)備電壓多為380V、660V 等，此時(shí)變壓器采用D-y 接法對抑制諧波比較有利。

（4）采用無源電力濾波器。采用電容和電抗器組成的電力濾波器，利用其在諧波頻率下阻抗值較低的特性，濾除特定頻率的諧波電流，可以有效減少特定頻率的諧波。無源濾波器結(jié)構(gòu)較為簡單，在運(yùn)行過程中可靠性也較高，并且在基波頻率下還可以提供容性的無功補(bǔ)償，在高壓高低壓供配電系統(tǒng)中得到了具體應(yīng)用。但是無源濾波器也存在一定問題，只能對特定次數(shù)諧波進(jìn)行吸收，容易出現(xiàn)系統(tǒng)諧波導(dǎo)致諧波放大問題出現(xiàn)，諧波吸收效果也會受到系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響。

（5）采用與負(fù)載串聯(lián)的電抗器。利用電抗器通低頻阻高頻的特點(diǎn)，可以在一定程度上平抑高次諧波，對頻率較低的諧波不是很理想，而且能明顯抑制諧波的電抗器體積比較大，能量消耗也十分驚人，所以一般只是加一定程度的電抗器，使負(fù)載（如電機(jī)）基本可以運(yùn)行即可。

（6）采用有源濾波器。有源濾波器實(shí)際也是一個多脈沖的換流裝置，把它和非線性用電負(fù)載并聯(lián)，控制裝置實(shí)時(shí)對負(fù)載電流進(jìn)行監(jiān)測，利用計(jì)算的方式能夠得到負(fù)載電流的諧波，控制逆變器產(chǎn)生一個和諧波電流大小相等，但方向相反的諧波電流，表象上看可以抵消負(fù)載的諧波電流，實(shí)際是向負(fù)載提供其所需的諧波電流，其原理與無功補(bǔ)償有相似之處。目前，有源濾波器是治理效果最好的一種方法，高質(zhì)量的有源濾波器能夠?qū)λ兄C波進(jìn)行補(bǔ)償，缺點(diǎn)是體積較大，造價(jià)高昂，特別是高壓的有源濾波設(shè)備價(jià)格比等容量的換流設(shè)備還要昂貴，因此一般應(yīng)用在低壓中小功率領(lǐng)域。

（7）提高電力系統(tǒng)的諧波承受能力。前面提過，由于電力系統(tǒng)不可能容量無窮大，內(nèi)阻為零，因而在有非線性負(fù)載時(shí)不可避免的會產(chǎn)生諧波電壓，對其他負(fù)荷造成影響。但是供電系統(tǒng)容量越大，同樣的非線性負(fù)荷引起的諧波畸變就會越小，所以采用更高等級的供電電壓及選用更大容量的變壓器是可以有效降低諧波的，但這也會增加用戶的投資及使用成本。

4 推薦廠礦諧波治理方法

通過以上分析，各種治理方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮效果及投資，根據(jù)現(xiàn)場情況，宜從以下幾個方面對諧波進(jìn)行治理。

（1）在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分收集非線性負(fù)荷的情況，客觀估算其容量，如果容量較大，應(yīng)盡量采用較高的外部線路電壓等級，從減少基本電價(jià)費(fèi)的角度出發(fā)，在供電范圍內(nèi)可實(shí)行兩級電壓，按照總負(fù)荷選擇主變壓器，而在負(fù)荷端的變壓器容量可以盡量大一點(diǎn)（可在運(yùn)行負(fù)荷的3 倍以上），大幅度提高系統(tǒng)承受能力。

（2）對于大功率的換流設(shè)備，盡量采用高壓的多電平換流設(shè)備，通常來說，12 電平以上的換流設(shè)備，其諧波已經(jīng)很小。

（3）盡量避免采用氣體放電燈。

（4）對于一般排水泵等不需要調(diào)整功率的設(shè)備，其啟動裝置盡量避免采用半導(dǎo)體降壓、變頻器的裝置，宜采用可變電感的電抗器等啟動裝置。

（5）對于低壓變頻器等3 電平換流裝置，除采用與負(fù)載串聯(lián)的電抗器平抑諧波外，應(yīng)就近并聯(lián)有源濾波器對諧波進(jìn)行補(bǔ)償，避免對其他負(fù)荷的影響。

（6）負(fù)荷端的變壓器盡量采用D-y 接法。

（7）對于非線性設(shè)備較多、非線性負(fù)荷功率較大的場合，要加大零線的截面。

5 結(jié)語

總而言之，供配電系統(tǒng)之中嚴(yán)重的諧波危害是十分大的，對供電質(zhì)量、供電可靠性都會造成嚴(yán)重影響，因此必須進(jìn)行治理，控制其在允許范圍內(nèi)。全面對諧波源進(jìn)行分析，使用科學(xué)可行的方式進(jìn)行治理，才能夠保障電網(wǎng)的安全使用及可靠供電。