低壓諧波治理及無功補償
一. 諧波概述：
(一)諧波定義：
供電係統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅裡葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到很多大於電網基波頻率的分量，這部分電量稱之為諧波。諧波頻率和正常的基波頻率比值(n=fn/fl)稱為諧波次數。諧波實際上是一種乾擾量，使電網受到汙染。現在技術領域主要研究諧波的發生、傳輸、測量、危害、抑製及濾除，其頻率範圍一般為2≤n≤50(我國電源頻率為50hz-60hz)
(二)諧波產生的原因：
工礦企業供配電係統中的高次諧波除來自外部電網(稱為背景諧波，以電壓的形式存在)，諧波產生的主要原因是由於非線性負載所致，如市政給排水工程中拖動風機、水泵以及攪拌器的交流變頻裝置和直流傳動裝置，這些裝置都是利用電力半導體技術將工頻正弦波通過整流、斬波和逆變等措施，變成直流或頻率可調的交流電。當電流經負載時與所加的電壓不呈線性關係就形成非正弦電流，既有諧波電流產生。
(三)諧波源：
向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，例如：
1.電弧煉鋼爐2. 整流器及整流設備
3.焊機設備4. 電子控製照明裝置(如調光電子熒光鎮流器)
5.UPS電源係統6.風機或水泵的變頻調速裝置
7.高層電梯8.TV影視設備、TV影視監視設備
9.磁飽和穩壓裝置10.計算機、打印機、複印機、變頻冰箱等。我們企業越來越多的使用產生諧波的電氣設備，如：交流變頻裝置、軋鋼機直流傳動設備，晶閘管串接調速的風機水泵等，這些設備受用的電流是非正弦形的，其諧波分量使係統正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決於諧波源設備本身的特性及工作狀態況，而與電網參數無關，所以可視為恒流源。各種晶閘管電路產生的諧波次數和其電路形式有關，稱為該電路的特性諧波。對稱三相變流電路的網側特征諧波次數為：PN±1(正整數)。式中P為一個電網周期內脈衝觸發次數，除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發脈衝不對稱或非穩定工作狀態下，上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算*有意義的是特征諧波，當電網接有多個諧波源時，由於各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小於各分量的算術和。變壓器激磁電流中含有3、5、7、9等各次諧波分量，由於變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，所以3次諧波電流一般情況下不會流入電網。
(四)諧波的含量及危害：
由於諧波的產生將改變電源原由50Hz-60Hz的電壓性質，從而產生附加的諧波損耗，使變配電和用電設備效率降低，加速電纜絕緣老化而使其容易被擊穿，影響自動化裝置動作的準確性，對通訊線路和控製信號造成電磁及射頻乾擾等。
按有關規定，諧波的含量大於15%為嚴重汙染電力網，在這種情況下一般電器都無法正常工作，這就必須采取諧波治理措施;電力網諧波含量在8%-10%為中度汙染，這時一般用電設備還可以工作，但對於特殊用電設備就不能正常工作了，如無功補償裝置就是此種情況，我們向電力網投切的一般電力電容器冇有抗諧波功能，如果此時電力網諧波含量在8%-10%以上投入電力電容，那麼電力電容將在諧波的作用下發生諧振，並在電容內部產生數倍於額定電流的諧振電流，於是就會發生無功補償裝置在運行很短的時間內電力電容器就被擊穿而失去電容容量，諧波的乾擾也將使無功補償裝置中的小型斷路器(熔斷器)、接觸器(複合開關)、熱繼電器等電器保護元件過熱、失靈、熔焊、誤動作、接地保護裝置功能失常，由於諧波源的存在而且需要無功補償時，普通補償裝置將難以正常工作，這時就必須采取先治理後補償的新方案。
二、 諧波治理：
為了能把諧波對電力係統的乾擾限製在係統可以接受的範圍內，我國頒布了電力係統諧波管理暫時規定(SD123-84、GB/T14549-93)和IEC標準，明確了各種諧波源產生諧波的極限值。
電力係統治理諧波的主要措施有：
(一)裝設由電感、電容及電阻組成的單調諧濾波器和高通濾波器。單調諧濾波器是針對某個特定次數的諧波而設計的濾波器，高通濾波器是為了吸收若乾較高次諧波的濾波器。
(二)增加整流相數。高次諧波電流與整流相數密切相關，相數增多，高次諧波的*低次數變高，諧波電流幅值變小。一般可控矽整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改為12相、24相或48相。當采用12相整流時，高次諧波電流隻約占全電流的10%左右，危害性大大降低了。
(三)在補償電容器回路中串聯一組電抗器，如果對應某次諧波有Xln-Xcn=0即產生諧波，其諧波電流、電壓都趨於無窮大。為了擺脫這一諧振點，通常在電容器(選電壓等級有要求)支路串接電抗器，其感抗值的選擇應使在可能產生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了產生諧波的可能性。
(四)當兩台以上整流變壓器由同一段母線供電時，可將整流變壓器一次側繞組分彆交替接成△形和Y形，這就可使5次、7次諧波相互抵消，而隻需要考慮11次、13次諧波的影響，由於頻率高，波幅值小，所以危害性將大大減小。
三、濾波治理補償方案：
(一) 方案一：有源濾波治理補償方案(見圖一)
在產生諧波源與無功補償裝置間裝設濾波裝置。
(圖 一)
采用有源濾波治理補償方案，先要求分析：
1.負載設備(諧波源設備)注入電網的諧波含量，有針對性的來采取措施。
2.濾波器一般有單相濾波器和三相濾波器，對單相非線性負載產生的諧波可以采用(THF)，三相非線性負載產生的諧波采用PQFA/PQFL動態濾波器。
此方案用於產生諧波源的設備功率較小的情況下較為理想，其依靠電力電子裝置在檢測到係統諧波的產生一組和係統幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉係統諧波，使其成為正諧波，不僅可濾除諧波還可以無功補償。其優點是濾除諧波較為乾淨。其方案在精密儀器、通訊、國防等重點設備的諧波治理補償效果較好，但其缺點是容量小，製造成本很高，國內生產成熟有源濾波裝置的廠家較少，所以現在冇有得到廣泛應用。
(二) 方案二：無源濾波治理補償方案(見圖二)
(圖 二)
無源濾波治理補償方案：由多個單調諧LC濾波器組成，當需要無功補償的同時也通過補償控製器(JKG-PX)的TMS芯片處理，指令投切某次調諧LC濾波回路中的電容器，這樣既可以濾波也可以無功補償。
此方案對產生較大諧波含量的電氣設備使用較好。其通過電感和電容的匹配對某次諧波並聯低阻(調諧濾波)狀態，給某次諧波電流構成一個低阻態通路，這樣諧波電流在一般情況下就不會流入係統。其可根據奇次波的諧振次數，做不同回路的濾波補償，其方案在大型冶煉、礦業以及其他含有較高諧波源的高耗能場合應用較好。但缺點是濾除諧波不夠徹底而且其自身消耗電能較大(見方案二和方案四的節能對比)，此方案不易用於小功率設備的濾波補償。
(三)方案三：有源濾波和無源濾波相結合的濾波補償方案(混合型濾波補償方案)：(見圖三)混合式濾波補償方案是通過在無功補償和濾波支路中串接小容量的有源電力濾波器的方法，改善無源濾波器的濾波性能，提高係統整體的抗諧振及治理諧波的能力，可用於電弧爐，軋機、電氣化鐵路等。此方案需要較多能源消耗，目前應用案例不是太多。
(圖三)
(四)方案四：**式濾波治理補償方案(見圖四)
此方案主要由削峰扼流器和消諧器匹配使用，組成濾波電路，來達到抑製、消除諧波並進行無功補償的方式。其特有的技術原理，不需要調諧振頻率，對每次諧波進行抑製、濾除，並進行無功補償。
近幾年來，此方案大量用於中、輕度諧波汙染的市政汙水及給水工程(主要諧波源為變頻器)，治理補償效果非常好。其優點是濾波效果好、安裝空間小，並且非常節能。
除市政工程外，在其他行業應用，效果也非常理想，如紡織行業(主要諧波源為變頻器)，化工行業(主要諧波源為變頻器)，商場(主要諧波源為整流器)，機械冶金製造企業等(主要諧波源為氬弧焊機及中高頻電爐)。但缺點是不宜在大型冶煉行業使用。
(圖 四)
工作原理：
1.采用削峰技術：
①阻抗電容器投切時的浪湧電流
②抑製諧振電流
③阻抗抑製非正常基波電流放大，即避免諧振。
2.采用感抗濾波及差模法，對諧波周角360°的相位角120°(3相*120°)進行抵消。
四、部分方案節能對比：(方案二與方案四的節能對比)
在補償電路中，以係統電壓0.4kV為例，若電力電容投切容量為30kvar，以每小時計算，方案二的濾波電抗器消耗功率為：
(電抗器使用在0.4kV電路中，一般壓降在3V以上，以*低3V計算)每路每小時消耗的功率為：
P=3×3V×30kVar ×1/(√3×0.4)×1H=388.8W
方案三的削峰扼流器在同等情況下消耗功率為：
(削峰扼流器使用在0.4kV電路中，一般壓降在0.02V以下，以*高0.02V計算)每路每小時消耗的功率為：
P=3×0.02V×30kVar ×1/(√3×0.4)×1H=2.6W
經過上述對比，可以明顯看出，使用方案四是相當節能的。
五、 部分方案應用案例：
(一) 案例一：
寧波某線纜企業(主要諧波汙染源為變頻設備)變壓器容量為1250kVA，進行集中無功補償(見圖五)，總容量為(20x25kvar)500 kvar，當補償裝置投運後分支路電容器組的熔斷器經常熔斷，三個月後發現電力電容器漏油，鼓肚皮，容量下降，三相嚴重不平衡。經現場勘察後發現當投入一組電容器25 kvar有效電流讀數值是56.16A，其相當於額定電流的1.56倍，而根據IEC831-1(低壓電容器標準)，電力電容器的容許電流是額定電流的1.3倍，所以說熔斷器、電容器損壞的根本原因是諧振過流所導致的。此時企業分析所致原因，為了不造成電力事故，不得不關停補償裝置，選擇新的治理補償方案(圖六)。在選用新的治理補償方案後其每組電容器投切電流為36A-36.5A,由此說明已經恢複成正常基波電流。
老方案，新方案經諧波檢測儀(RH-801)測量諧波含量結果如下：
老方案圖(五)測量數據：
HRUn(%) 3 5 7 9 11 13
A 0.3 6.4 1.9 0.1 4.2 0.1
B 0.4 6.4 1.8 0.1 4.2 0.5
C 0.3 6.8 2.0 0.1 4.5 0.2
新方案圖(六)測量數據： 信息來自:輸配電設備網
HRUn(%) 3 5 7 9 11 13
A 0.3 1.5 1.0 0.1 1.3 0.1
B 0.3 1.0 1.1 0.1 1.1 0.1
C 0.3 1.5 1.0 0.1 1.1 0.2
案例一從2007年7月改造至今已有2年多時間過去了，諧波問題得到有效解決,無功補償裝置投切正常，功率因數達到95%左右。
(二)案例二
青島XX集團水務工程公司在山東地區做汙水處理項目較多，以前全部采用的是普通方案( 圖七)，由於忽視了諧波(變頻器)問題的存在，無功補償裝置投用時間不長，經常發生不能正常投切的問題，如有電器元件經常燒毀事件，電容器易損壞，鼓肚子，漏油，以及常出現投切過電流現象。這些問題的出現常困擾著集團公司的電氣技術人員。後來在新建的滕州**汙水處理廠項目中，應用新的濾波補償方案(圖八)，從投用到現在已經快2年了，投運很正常。
目前新的濾波補償方案(圖八)在較多的市政給水、排水、汙水治理工程上應用較為廣泛。
結束語：
諧波是引起電能質量問題的*重要因素，要想治理諧波問題又能挖掘電力潛力，就必須設計濾波補償方案;不同的諧波治理方案的應用場合以及治理效果不儘相同，所需要的費用差異也較大，所以，必須根據配電係統的實際情況，合理選擇投資少、治理效果好的方案。選用正確的諧波治理補償方案，不僅治理了電網的諧波問題，同時也提高了電能質量，減少了電費的支出，應用正確的諧波治理補償方案，對提高無功補償質量，淨化電網環境有著重要意義。
