配電網諧波源的分析與治理

　　隨著科學技術的不斷進步、電子技術的飛速發展，現代化的工業設備和民用電器裝置的應用越來越普及，尤其是先進電子設備，諸如電力電子變頻、調壓設備、調速控製設備、可控矽整流設備、數字通訊設備、電氣鐵路設備、各類UPS、充放電設備、大功率半導體開關器件、開關電源、變頻器、信息技術設備、數控機床、節能燈、可控矽負載、變頻電機、變頻空調、中頻爐、節能燈、調光器等，還有電熔煉設備、電化學設備、礦井起重設備、露天采掘設備、電氣機車等與日俱增，都屬於非線性電源負荷。

這些設備數量大、分布廣，使得諧波電流由少聚多地不斷注入電網，使得電力係統波形嚴重畸變。因此諧波電流對公用電網造成的諧波問題越來越突出，這不但會使接入該電網的設備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電係統中性線承受超載電流，影響供電係統的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方麵的高度重視。

　　1 諧波的危害

　　諧波增加了輸配電係統和用電設備的附加損耗——鐵損(包括磁滯損耗和渦流損耗)和銅損，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。由於諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，導致導體對諧波電流的有效電抗增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發熱嚴重。供電係統中的諧波危害主要表現在以下幾個方麵：

　　1.1 .對旋轉電機的影響

　　在工程供電係統中，電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此，諧波使電動機總的附加損耗影響較為顯著。由於集膚效應、磁滯、渦流等現象將隨著諧波次數增高而使得各類旋轉電機的鐵芯和繞組中產生的附加損耗增加。諧波電流和電壓對感應及同步電動機所造成的主要效應為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導致電動機效率降低，並影響轉矩。當設備負荷對電動機轉矩的變動較敏感時，其扭動轉矩的輸出將影響所生產產品的質量。諧波還使電動機噪音增大甚至可導致扭矩震動，而扭矩的震動則是由諧波電流和基波頻率磁場所造成的，如果機械諧振頻率與電氣勵磁重合，會發生共振進而產生很高的機械應力，導致機械損壞的危險。

　　1.2 對變壓器的影響

　　諧波電流會引起變壓器的銅損、鐵損和雜散損增加。諧波會在變壓器繞組中形成環流，使繞組過熱，變壓器整體溫升提高，這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升，進而導致變壓器的基波負載容量下降，而且諧波也會導致變壓器噪聲增加。

　　1.3 對輸電線路的影響

　　由於用戶係統中導線阻抗的頻率特性，導線的電阻會隨著頻率的升高而增加，又由於導線中集膚效應的作用，諧波會使得用戶自身供電係統中導線的附加損耗增加，由諧波引起的非正弦波會對線路產生更高的熱量。尤其值得注意的是這類諧波還會使三相供電係統中的中性線的電流增大，導致中性線過載，大大浪費了用戶的用電成本。

　　1.4對電子設備的影響

　　電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高於另一個相間電壓的位置點。這兩點對於不同類型的電力電子電路控製是至關重要的。控製係統對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控製係統失控。而含諧波的電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設備的乾擾。計算機和一些其它電子設備，如可編過程控製器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小於5%，且個彆諧波電壓畸變率低於3%，較高的畸變量可導致控製設備誤動作，進而造成生產或運行中斷，導致較大的經濟損失。

　　1.5對開關的影響

　　像其它設備一樣，諧波電流也會引起開關之額外溫升並使基波電流負載能力降低。溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。

　　1.6 對絕緣的影響

　　隨著非線性電力設備的廣泛應用，電力係統中諧波問題日趨嚴重，諧波的存在會對電力設備造成損壞，加速設備絕緣老化。諧波疊加後的電壓峰值對器件老化有很大的影響，研究表明，諧波對其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。其中峰值對它壽命的影響*大。

　　1.7對各類電力電容器(包括補償電容)的影響

　　由於大部分電力電容器對於高次諧波呈現低阻抗，有的電容器在和係統電路中的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等於或接近某次諧波分量的頻率時，就會引起諧波電流放大，使電力電容器過熱，過電壓而不能正常工作，在高次諧波的影響下很容易被擊穿。加速電容器老化，縮短壽命甚至燒毀。

　　1.8對通信係統的乾擾影響

　　通信係統少不了的換流設備和UPS設備本身是很嚴重的諧波源，這類設備產生的諧波頻率一般在20KHz左右，該頻段的諧波必然會乾擾載波通信的正常工作，由此產生的乾擾電壓將會嚴重影響通信線路的通信質量，甚至於在某些情況下還會造成通信線路的中斷等嚴重後果。

　　1.9對自動化流水線、數控機床、工作母機類精密設備的影響

　　眾所周知，絕大部分的數控類設備都通過一係列的交直流電機，通過變頻調速來控製的。在此過程中諧波的瞬時脈衝會引起控製元件的誤動作，尤其是由於數控設備中的控製用芯片中的電容受到諧波的影響，很容易老化甚至短路，引起設備不能工作。另外在這類精密加工設備的各類繼電器的接觸點上，在諧波的作用下很容易形成一個氧化碳膜層，既增加了接觸點的阻抗又大大降低了控製器的靈敏度。

　　1.10諧波對銀行、海關、證券公司、機場等大區域聯網作業的用戶的影響

　　為確保大區域聯網工作的網絡平台能正常運行，UPS設備對這類用戶是必不可少的。但是UPS在整流充電過程中所產生的諧波一方麵會影響到計算機網絡中來，造成網絡莫名其妙的出錯、停機等。另一方麵，這些諧波反過來又使UPS中的蓄電池中的極板加速氧化，而逐漸失效，嚴重的將根本起不到不間斷電源的本身作用，從而對上述重要用戶帶來很大的損害。

　　1.11諧波對雷達係統，測空設備的影響

　　航天航空的地麵測空係統，雷達係統的正常工作關係到國家人民的巨大利益，設備供電電源中任何瞬時脈衝、浪湧和諧波都會引起各類精密測試儀器、控製係統一連串的不正常的反應，哪怕某一個繼電器的接觸點由於諧波造成接觸點表麵形成阻抗很小的氧化膜，使繼電器靈敏度降低而造成的危害將是無法彌補的。

　　總之，諧波的危害表現為引起電氣設備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發熱；使同步發電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至損壞；降低繼電保護、控製、以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網後會使無功功率增大，功率因數降低，甚至有可能引發並聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及乾擾通信線路的正常工作。

　　2 諧波的治理

　　治理諧波問題，抑製輻射乾擾和供電係統乾擾，可采取屏蔽，隔離，接地及濾波等技術手段。

　　①增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法；

　　②使用無源濾波裝置或有源濾波裝置：消除諧波的設備要求頻譜範圍廣、能力要大、響應時間要快而且使用方便、可靠、壽命長等。

　　2.1 減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法

　　諧波產生的根本原因是由於使用了非線性負載，因此，解決的根本辦法是把產生諧波的負載的供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開。由於非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過。因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截麵積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截麵積，特彆是加大中性線電纜截麵，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而加大了資金投入。另一方法是將線性負載與非線性負載從同一電源接口點就開始分開，分彆對各電路負載供電，這樣可以使由非線性負載產生的畸變電壓不會傳導到線性負載上去。這是目前治理諧波問題較為理想的解決方案。

　　2.2 使用無源濾波裝置或有源濾波裝置

　　使用無源濾波裝置其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用於穩定、不改變的係統。而使用有源濾波裝置主要是用於補償非線性負載。

　　傳統的方式多選用無源濾波裝置，無源濾波裝置出現*早，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，至今仍是諧波抑製的主要手段。LC濾波裝置是傳統的無源諧波抑製裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，它包括三種基本形式：串聯濾波、並聯濾波和低通濾波( 串並混合)。其中串聯濾波主要適用於三次諧波的治理；低通濾波主要適用於高次諧波的治理；並聯濾波是與諧波源並聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。是應用*廣泛的電源淨化濾波裝置。這種裝置存在一些較難克服的缺點，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，無源濾波裝置不能受控，因此隨著時間的推移，配件老化或電網負載的變動，會使諧振頻率發生改變，濾波效果下降，易和係統發生並聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波裝置過載甚至燒毀。此外，它隻能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。如果過濾不同的諧波頻率，則要分彆用不同的濾波裝置，增加設備投資。但目前，無源濾波裝置還是實際應用*多、效果較好、價格較低的治理諧波的較好方案。

　　有源電力濾波裝置是一種用於動態抑製諧波、補償無功的新型電力電子裝置，這種濾波裝置能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。

　　有源濾波裝置根據動態補償諧波的原理，運用電力電子技術和計算機技術，快速跟蹤諧波源產生的諧波頻率、相位和幅值，由裝置向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相同、方向相反的電流，使流入電源的總諧波電流為零，其特性不受係統的影響，無諧波放大的危險，達到同時濾除2~25次諧波的目的，因而倍受關注。

　　有源電力濾波裝置係統主要由指令電流檢測電路和補償電流發生電路這兩大部分組成。

　　指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然後將其反極性變化後發出補償電流的指令信號。電流跟蹤控製電路的功能是根據主電路產生的補償電流，計算出主電路各開關器件的觸發脈衝，此脈衝經驅動電路後作用於主電路。這樣電源電流中隻含有基波的有功分量，從而達到消除諧波與進行無功補償的目的。根據同樣的原理，電力有源濾波裝置還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。

　　有源濾波裝置具有同時消除多次諧波(2-25次)電流的能力，能實時、自動跟蹤控製，既能高效消除諧波，又能動態補償無功，改善三相不平衡度。而且不受係統運行方式影響，不會產生諧波諧振，對電力係統適應能力強。

　　有源濾波裝置可以克服無源濾波裝置等傳統的諧波抑製和無功補償方法的缺點，獲得比無源濾波裝置更好的補償特性，控製精度高、治理效果好，已逐漸成為諧波治理的重要技術手段和今後諧波治理領域的發展方向。

　　混合型有源濾波裝置：目前，在具體的諧波治理方麵，出現了無源濾波裝置(LC濾波裝置)與有源濾波裝置互補混合使用的方式，充分發揮LC濾波裝置結構簡單、易實現、成本低，有源電力濾波裝置補償性能好的優點，克服有源電力濾波裝置容量大、成本高的缺點，兩者結合使用，既可補償無功，又可補償諧波。可克服無源濾波易受電網參數影響及產生諧振的缺點，適用於需大功率電源濾波的場合，從而使整個係統獲得良好的性能。

　　從目前國內國際治理電力電網諧波來看主要以高次諧波為主，*高為21次左右諧波。而在電網汙染治理中大於21次諧波的高頻高次諧波的研究和治理卻少有問津，以上所述隨著非線性負載的大量應用，如中頻爐、變頻器、開關電源、整流器、節能燈等，都會產生嚴重的高頻高次諧波。經實際現場測試，這些用電負載在工作時所產生的能量較大的幾十kHz或100kHz左右的高頻高次諧波，在電力輸電網上所引起的集膚效應比21次以下的高次諧波在輸電網上引起的集膚效應來得更為嚴重。頻率越高，集膚效應更厲害，它使輸電網產生更大的熱量，浪費更多的電力能量。而且使輸電線老化更快；另外高頻高次諧波在電機、變壓器等設備上會產生更為嚴重的渦流，引起更大銅損和鐵損，使這些設備發熱，產生振蕩，發出高頻叫聲，同樣浪費電力電能，使設備加速老化、降低設備和輸電線的絕緣，甚至燒毀。而且高頻高次諧波所引起的輻射乾擾和傳導乾擾也相當嚴重，嚴重影響通信線路的通信質量，甚至會造成通信線路的中斷等後果。

　　然而在公用電網諧波方麵國內國際隻針對高次諧波有相應的標準，*高也隻是21次諧波，而高頻高次諧波這一塊還冇有相應的標準。

　　上海坤友電氣有限公司的有源電力濾波裝置是上海市科委下達的科研攻關項目，是具有自主知識產權的產品，它填補了治理電網高頻高次諧波的空白。電源波形矯正濾波裝置並接在電網電源中自動跟蹤並吸收諧波源產生的諧波電流。對用電設備產生的隨機的高頻高次諧波、高頻噪聲、脈衝尖峰、電湧等乾擾具有抑製和吸收濾波作用，能防止用電設備產生的乾擾汙染進入到電網中，同時又能防止電網中的高頻高次諧波、高頻噪聲、浪湧、尖峰瞬變等乾擾進入到儀器設備，提高了電網質量，保證了儀器設備的正常運行，它使用靈活方便，通過矯正波形，吸收汙染，可提高電力質量，保護儀器設備，減少儀器設備的故障率和機器誤操作，提高設備運行效率和生產成品率，提高儀器設備的使用壽命。降低了由高頻高次諧波引起的集膚效應及銅損和鐵損等，節約了電力能源，在電力電網中針對高頻高次諧波的治理作出新貢獻。

　　圖1，2，3為在電網諧波汙染治理工程中實際測得的波形曲線：

　　圖1 正常電網諧波波形曲線

　　圖2 安裝有源電力濾波裝置前變頻機上網電源波形曲線

　　圖3 安裝有源電力濾波裝置後變頻機上網電源波形曲線

　　LYLB采用高科技新技術特種元器件組成的電路具有抗瞬態乾擾的電源波形矯正濾波裝置解決了在應用中不僅在串聯接入方式下對10kHz~10MHz的高頻率諧波、高頻噪聲、浪湧、尖峰瞬變等共模和差模噪聲汙染有抑製和濾波作用，更解決了並聯接入方式下對10kHz~10MHz的高頻率諧波、高頻噪聲、浪湧(雷電)、尖峰瞬變等汙染有抑製和濾波作用這一技術難題，對電網波形具有一定的矯正作用，使電源中較高的諧波頻率分量被矯正和吸收。有效降低和防止由於儀器設備產生的高頻諧波和高頻噪聲、尖峰瞬變等汙染進入電網，同時又能降低和防止電網中高頻率諧波和高頻噪聲、尖峰瞬變等汙染進入到儀器設備，乾擾儀器設備的正常運行。電源波形矯正濾波已被廣泛應用在上述的各個領域中，創造了一定的經濟效益和社會效益。