小議配電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生與危害治理

摘要：由于電力電子技術(shù)在電氣設備中的廣泛應用，以及其它非線(xiàn)性負荷的不斷增加，配電網(wǎng)絡(luò )中的諧波污染問(wèn)題日益嚴重，已危及電力網(wǎng)和用電設備自身的安全和經(jīng)濟運行。為此，諧波問(wèn)題的分析和綜合治理也日益成為農網(wǎng)工作者廣泛關(guān)注的課題。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長(cháng)設備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。本文從諧波的特點(diǎn)及性質(zhì)出發(fā),結合相關(guān)惜波標準,闡述了諧波測量?jì)x器的基本原理、功能和精度要求等,目的是對諧波的測量、監測與管理有一個(gè)較全面的認識,以利惜波的綜合治理。 
關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)  諧波  特點(diǎn)  測量  危害  治理
        0 引言
        經(jīng)濟的飛速發(fā)展帶來(lái)供電緊張，為解決供電緊張，一方面要建設許多新的電廠(chǎng)和輸電線(xiàn)路，另一方面要高效利用現有的電力資源，減少電力損耗。諧波是導致電力損耗增加，供電質(zhì)量下降的重要因素。
        1 電力系統諧波的基本特性和測量
        諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數倍數。理論上看，非線(xiàn)性負荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線(xiàn)性負荷吸收電流和外加端電壓為非線(xiàn)性關(guān)系，這類(lèi)負荷的電流不是正弦波，且引起電壓波形畸變。周期性的畸變波形經(jīng)過(guò)傅立葉級數分解后，那些大于基頻的分量被稱(chēng)作諧波。
        非線(xiàn)性負荷除了產(chǎn)生基頻整次諧波外，還可能產(chǎn)生低于基頻的次諧波，或高于基波的非整數倍諧波。電力系統中出現系統短路、開(kāi)路等事故，而導致系統進(jìn)入暫態(tài)過(guò)程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的范疇。要治理諧波改善供電品質(zhì)，需要了解諧波類(lèi)型。諧波按其性質(zhì)和波動(dòng)的快慢可分成四類(lèi)：準穩態(tài)諧波、波動(dòng)諧波、快速變化的諧波和間諧波四類(lèi)。因其多樣性和隨機性，在實(shí)際工作中，要精確評估諧波量值非常困難，所以在IEC 6100-4-7標準中對前三類(lèi)諧波進(jìn)行了規定，推薦采用數理統計的方法對諧波進(jìn)行測量。
        實(shí)際工作中，通常采用諧波測試儀來(lái)監測和分析諧波。一般來(lái)說(shuō)，將用戶(hù)接入公用電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)作為諧波監測點(diǎn)，測量該點(diǎn)的電壓和注入公共電網(wǎng)的電流后，通過(guò)對電壓和電流的分析，取得諧波測量資料。
        相對單點(diǎn)的諧波測量而言，從區域或整個(gè)電網(wǎng)角度來(lái)看，諧波源的定位和確定諧波模型進(jìn)而分析它是一個(gè)相對復雜的過(guò)程。諧波源定位，一般采用功率方向法和瞬時(shí)負荷參數分割法。而諧波模型分析的方法一般有三種：非線(xiàn)性時(shí)域仿真、非線(xiàn)性和線(xiàn)性頻率分析。三種方法的相同點(diǎn)是對電網(wǎng)作適當的線(xiàn)性化處理，只是在處理非線(xiàn)性設備時(shí)采取了不同的模擬方式。
        2 配網(wǎng)中的諧波源
        嚴格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò )的每個(gè)環(huán)節，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多位于用電環(huán)節上。
        發(fā)電機是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機三相繞組必須完全對稱(chēng)，發(fā)電機內的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產(chǎn)生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面的限制，發(fā)電機總會(huì )產(chǎn)生少量的諧波。
        輸電和配電系統中存在大量的電力變壓器。因變壓器內鐵心飽和，磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)特性以及額定工作磁密位于磁化曲線(xiàn)近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性就越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴重時(shí)三次諧波電流可達額定電流的5%。用電環(huán)節諧波源更多，晶閘管式整流設備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產(chǎn)生一定量的諧波。
        晶閘管整流技術(shù)在電力機車(chē)、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，而留給電網(wǎng)剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量的諧波。有統計表明，整流設備所產(chǎn)生的諧波占整個(gè)諧波的近40%，是最大的諧波源。
        變頻原理常用于水泵、風(fēng)機等設備中，變頻一般分為兩類(lèi)：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V 50Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號，濾波后由大功率晶體開(kāi)關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號。后者將固定頻率的交流電直接轉換成相數一致但頻率可調的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì )產(chǎn)生含復雜成分(整次或分次)的諧波。  
        3 諧波在配網(wǎng)中的危害 
        諧波對于配電系統的影響，表現在對線(xiàn)路上所配置的保護及測量設備的影響。因這些設備一般采用電磁式繼電器、感應繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動(dòng)和拒動(dòng)，系統中存在的不明原因的誤動(dòng)和拒動(dòng)，與諧波不無(wú)關(guān)系。所以諧波超標，會(huì )嚴重威脅配電系統的安全穩定運行。
        諧波會(huì )大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導致的噪聲，會(huì )使變電所的噪聲污染指數超標，影響工作人員的身心健康。對于電力電容器，諧波會(huì )導致端電壓升高，損耗加大，電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命。

      配網(wǎng)中使用大量異步電動(dòng)機，產(chǎn)生的諧波會(huì )增加附加損耗。負序諧波產(chǎn)生的負序旋轉磁場(chǎng)，會(huì )產(chǎn)生制動(dòng)力矩，影響電動(dòng)機的有功出力。對斷路器而言，無(wú)論其構成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或電子的，都可能受諧波的影響誤動(dòng)。
        電能表是評價(jià)電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶(hù)繳費的憑證，而諧波可能使電能計量產(chǎn)生較大誤差，嚴重時(shí)會(huì )導致計量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動(dòng)，保護誤動(dòng)和拒動(dòng)的重要因素。
        此外，諧波會(huì )通過(guò)靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進(jìn)通訊系統，影響它們的正常運行。對于人體，諧波會(huì )刺激人體細胞，使正常的細胞膜電位發(fā)生快速波動(dòng)或可逆的翻轉，當這種波動(dòng)或翻轉頻率接近諧波頻率時(shí)，會(huì )影響人體大腦與心臟。
        4 配電網(wǎng)諧波治理的對策
        既然諧波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或補償已產(chǎn)生的諧波，就顯得尤為重要�？蓺w納以下治理措施：
        4.1 加強標準和相應規范的宣傳貫徹。IEC 6100以及國標GB/T 14549-1993，對于諧波定義、測量等進(jìn)行了宣傳，明確諧波治理是一項互惠互利、節能增效，是保證電網(wǎng)和設備安全穩定運行的舉措。
        4.2 主管部門(mén)對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設置長(cháng)期觀(guān)察點(diǎn)，收集可靠的數據。對電力用戶(hù)而言，可以監督供電部門(mén)提供的電力是否滿(mǎn)足要求；對于供電部門(mén)而言，可以評估電力用戶(hù)的用電設備是否產(chǎn)生了超標的諧波污染。
        4.3 針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，采取相應的隔離、補償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測的基礎上，通過(guò)適當加裝濾波設備來(lái)減小諧波注入電網(wǎng)。對于各種電氣設備的設計者，在設計初始，就要考慮其設備的諧波污染度，將諧波限制在標準允許的范圍內。
        4.4 加強管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門(mén)，要調動(dòng)電力供需環(huán)節中的各個(gè)方面，在分清諧波來(lái)源基礎上，走共同治理之路。
        諧波治理是綜合治理過(guò)程，是改善供電品質(zhì)的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》對電網(wǎng)各級電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制，對用戶(hù)注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進(jìn)行了相應的規定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理有明確的規定和要求，而日益發(fā)展的農村電網(wǎng)對有關(guān)諧波的治理并未引起足夠的重視，認識還有待提高。目前農網(wǎng)中的高壓配電的許多用戶(hù)，對諧波的危害也沒(méi)有引起足夠的重視，往往認為諧波治理是電力部門(mén)的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門(mén)有必要加強諧波治理方面的宣傳，強調諧波治理的重要性和投資回報。在對諧波準確測量的基礎上，提出適合用戶(hù)的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長(cháng)用戶(hù)設備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。

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