港口輸配電設備的諧波治理
近幾年來，港口供電係統中的諧波問題已引起業界人士的普遍重視，特彆是隨著港口建設的迅速發展，港口規模不斷擴大，港口用電設備中，大量采用了矽整流設備和可控矽變流設備，以及在堆場照明中普遍采用的放電類電光源設備。這些非線性負載能產生各次的高次諧波，能使變壓器、電動機等發熱，也能使回路過載發熱，斷路器頻繁跳閘，甚至引起火災。這會嚴重降低港口的供電質量，因此，防治諧波，降低損耗，提高供電係統電能質量是非常重要的。
1、諧波的產生
眾所周知，我們的供電係統和用電設備都被設計成按正弦波形運行，其基波頻率我國為50Hz。但由於供電係統中變壓器、整流設備、充氣電光源等大量非線性負載的存在，實際波形會發生畸變，產生一係列頻率為基波頻率整數倍的分量，這些分量就被稱為諧波。
1.1在港口供電係統中主要是變壓器產生諧波。
由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。
1.2在港口用電設備中主要是整流器和逆變器產生諧波。
因為在隻含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路裡，流過的電流和施加的電壓成正比。所以如果所加電壓是正弦的話，流過的電流就是正弦的，也就不存在諧波。當電流流過與所加電壓不呈線性關係的負荷時，就形成非正弦電流，也就產生了諧波。
整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流：整流器的作用是將交流電轉成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。大功率整流器——逆變器廣泛應用於交流變頻調速及交-直流電動機的調速等領域。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，隻允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波(50Hz基波)外，還疊加了一係列高次波形——諧波。應該說電動機采用變頻器進行調速，可以高水平完成調速外，也可以節省大量電能(近30%)，但如前麵分析，變頻調速過程中要產生高次諧波，即形成高次諧波汙染。
由於變流設備功率大(30kW～20000kW)、數量多，因此,它對港口企業的供配電係統的影響也就極大。
1.3氣體放電類電光源產生諧波
我國港口企業照明基本采用氣體放電類電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈。測量及分析氣體放電類光源的全伏安特性可知,此類光源的非線性非常嚴重,有負的伏安特性。氣體放電類電光源使用時,必須與電阻或電感串聯,使其綜合伏安特性不再負,才能正常工作,串聯的電阻或電感被稱為鎮流器。其非線性極其嚴重,3次諧波含量占其基波含量的20%以上。由於其特性為對稱奇函數,隻含有奇次諧波。它屬於電流源型諧波源。
氣體放電類電光源由於數量巨大,其產生的諧波對供配電係統產生的影響也就十分巨大。在整流設備還未廣泛使用的時期,影響供配電係統的諧波主要是由此類電光源產生。
1.4計算機及其他辦公設備產生諧波
計算機及其他辦公設備的電源基本上都是開關電源,因此都會產生諧波。由於此類設備的大量使用,對電網的諧波乾擾也就十分嚴重。
2、諧波的影響
由於港口企業產生諧波的設備比較多，諧波使港口的生產麵臨嚴重的影響。
2.1諧波對輸電線路的影響
如果電網中含有高次諧波電流，那麼，高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。當注入係統的諧波頻率位於在網絡諧振點附近的諧振區內時，對輸電線路會造成絕緣擊穿。尤其是電纜線路，如今港口供電係統中，幾乎都采用電纜供電，電纜線路對地電容比較大，而感抗較小，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。
2.2諧波對變壓器的影響
諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。諧波電流，特彆是3次(及其倍數)諧波侵入三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組發熱。對Y形連接中性線接地係統中，侵入變壓器的中性線的3次諧波電流會使中性線發熱。
2.3諧波對供電係統可靠性的影響
如果繼電保護裝置是按基波負序量整定其整定值大小，此時，若諧波乾擾疊加到極低的整定值上，則可能會引起負序保護裝置的誤動作，影響供電係統**。特彆對於電磁式繼電器來說，諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成係統事故，嚴重威脅港口供電係統的**、可靠運行。
2.4諧波對電動機的影響
主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。同時負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起製動作用，從而減少電動機的出力。國際上一般認為電動機在正常持續運行條件下，電網中負序電壓不超過額定電壓的2%，如果電網中諧波電壓折算成等值基波負序電壓大於這個數值，則附加功耗明顯增加。
另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。
2.5影響或乾擾測量控製儀器、通訊係統工作
對於計算機網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備，供電係統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些係統中，產生乾擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與乾擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而乾擾弱電係統。
3、諧波的防治
為了減少諧波對港口供電係統的影響，從管理和技術上可采取以下措施：
(1)嚴格貫徹執行有關電力諧波的國家標準，加強管理
1993年國家頒發GB/T14549《電能質量公用電網諧波》，規定的注入公共連接點的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限製注入公用電網的諧波。
(2)采用三角形/星形接法的配電變壓器。
對於三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次諧波電流在一次繞阻循環流動而不會傳到電源係統中去，從而不會使不平衡和3N次諧波電流影響整個電源係統。這種接法是配電變壓器中*常用的一種。所以《民規》4.3.3條提出：需要限製三次諧波含量者，宜選用接線為D，yn11型變壓器。
(3)裝設無源濾波器
無源濾波器是傳統的諧波補償裝置。在供配電係統中加裝電抗器與電容器組成的調諧濾波器，即可以補償無功功率又可以吸收諧波，從而減輕諧波對電氣設備的危害，提高供電係統承受諧波的能力。
(4)裝設有源濾波器
有源濾波器近年來發展很快，它可以實時、動態的抑製諧波，並能補償大小和頻率都變化的諧波。根據電路組成方式和接入電網方式的不同，可分為電壓源型和電流源型，串聯型和並聯型。有源濾波器將成為未來諧波補償的發展方向，並將取代傳統的無源濾波器。
(5)增加變流裝置的整流相數
使用和製造大型矽整流和可控矽裝置的企業,在設計和使用時,增加整流相數。將現在普遍使用的三相整流、六相整流和十二相整流發展到十八相整流和二十四相整流甚或更多相整流。這樣就使對供配電係統產生較大危害的3次、5次、7次諧波極大的減少,這是一種極好的治本方法。
(6)抑止整流和逆變產生的諧波
①在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側加裝三隻680μf250VAC的電容，(分彆接在L-N，L-grond，N-grond上)這種方法可使電磁乾擾電流降至原來的1/10，效果較明顯。
②變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管並接地，輸出電纜也穿鐵管並接地，屏蔽層應在接變頻器處和電機處兩端都接地。變流裝置是供電係統的主要諧波源之一，可以采用增加變流裝置的相數，有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大降低諧波電流的有效值。
(7)將測量、控製裝置的供電與動力裝置的供電分開
將測量、控製裝置的供電與動力裝置的供電分開。因為動力裝置的負荷變動大，測量、控製、微機及電視機的負荷小，動力裝置產生的乾擾大，供電電源分開後，測量、控製、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的乾擾。
4防諧波的設計原則
在港口供配電設計過程中，為減少諧波的產生，可采取下列方法：
(1)除低壓用戶外，公共建築配電係統的接地保護應儘量采用TN-S製，以減少諧波對接地線路的乾擾。
(2)應儘可能將非線性負載放置於配電係統的上遊，以避免對線路下遊的影響。
(3)諧波較嚴重且功率較大的設備，應從變壓器出線側采用專線供電。
(4)諧波很嚴重的配電係統中，功率因數補償電容器宜串接適當的電抗器，作為諧波抑製的輔助手段，並應注意避免發生電網局部諧振。
(5)由晶閘管控製的負載或設備，宜采用對稱控製，以儘可能使中性線導體上的諧波互相抵消。
(6)當設計過程中對配電係統的諧波難以預料時，宜預留必要的濾波設備空間。
5結束語
隨著港口非線性電力設備的廣泛應用，港口供電係統中諧波問題越來越嚴重，一方麵造成了電力設備的損壞，加速絕緣老化，另一方麵也影響了計算機、電視係統等電子設備正常工作，直接或簡介影響了港口的生產。
諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設備製造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應合理規劃電網，電力電子設備(特彆一次設備)應符合電磁發射水平，電子設備、電子儀器應滿足電磁兼容性要求。
參考文獻
[1]JGJ16-2008民用建築電氣設計規範.
[2]王淩雲民用建築配電係統中的諧波及其抑製電世界2000.7.
[3]《工業與民用配電設計手冊》第三版中國電力出版社2005.
[4]GB/T14549-93電能質量公用電網諧波.
