配電網(wǎng)諧波的治理
一、概 述
1.經(jīng)濟的發(fā)展帶來供電緊張，為解決供電緊張，一方面要建設許多新的電廠和輸電線路，另一方面要高效利用現(xiàn)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。本文分析諧波基本性質(zhì)和測量方法，對配網(wǎng)中諧波的來源和危害進行了詳細說明，總結(jié)和提出了治理諧波的若干方法。
2.供電質(zhì)量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時間、停電時間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面。其中，諧波問題一直是主要的電能質(zhì)量問題。諧波存在于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、供、用的各個環(huán)節(jié)。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長設備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。
二、電力系統(tǒng)諧波的基本特性和測量
1.諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。理論上看，非線性負荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線性負荷吸收電流和外加端電壓為非線性關(guān)系，這類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)過傅立葉級數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱作諧波。
2.非線性負荷除了產(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(shù)倍諧波。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)短路、開路等事故，而導致系統(tǒng)進入暫態(tài)過程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的范疇。要治理諧波改善供電品質(zhì)，需要了解諧波類型。諧波按其性質(zhì)和波動的快慢可分成四類：準穩(wěn)態(tài)諧波、波動諧波、快速變化的諧波和間諧波四類。因其多樣性和隨機性，在實際工作中，要精確評估諧波量值非常困難，所以在IEC6100-4-7標準中對前三類諧波進行了規(guī)定，推薦采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對諧波進行測量。兼顧數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)據(jù)壓縮的需要，標準對測量時段以及通過測量值計算諧波值提出了建議。
3.國標GB/T14549-1993采用觀察期3s有效測量的各次諧波均方根值的95%概率作為評價諧波的標準。為簡便實用，將實測值按由大到小的方式排序，在舍去前5%個大值后剩余的最大值，近似作為95%的概率值。
4.實際工作中，通常采用諧波測試儀來監(jiān)測和分析諧波。一般來說，將用戶接入公用電網(wǎng)的公共連接點作為諧波監(jiān)測點，測量該點的電壓和注入公共電網(wǎng)的電流后，通過對電壓和電流的分析，取得諧波測量資料。
5.相對單點的諧波測量而言，從區(qū)域或整個電網(wǎng)角度來看，諧波源的定位和確定諧波模型進而分析它是一個相對復雜的過程。諧波源定位，一般采用功率方向法和瞬時負荷參數(shù)分割法。而諧波模型分析的方法一般有三種：非線性時域仿真、非線性和線性頻率分析。三種方法的相同點是對電網(wǎng)作適當?shù)木€性化處理，只是在處理非線性設備時采取了不同的模擬方式。
三、配網(wǎng)中的諧波源
1.嚴格意義上講，電力網(wǎng)絡的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波較多位于用電環(huán)節(jié)上。
2.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，發(fā)電機內(nèi)的鐵心也須完全均勻一致，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)電機總會產(chǎn)生少量的諧波。
3.輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點偏離線性就越遠，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴重時三次諧波電流可達額定電流的5%。用電環(huán)節(jié)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。
4.晶閘管整流技術(shù)在電力機車、充電裝置、開關(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(tǒng)計表明，整流設備所產(chǎn)生的諧波占整個諧波的近40%，是較大的諧波源。
5.變頻原理常用于水泵、風機等設備中，變頻一般分為兩類：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(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會產(chǎn)生含復雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會對電網(wǎng)造成嚴重的諧波污染。
6.充氣電光源和家用電器更是常見的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應用氣體放電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線性特征。計算機、電視機、錄像機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風扇、洗衣機、空調(diào)器含小功率電動機，也會產(chǎn)生一定量的諧波。這類設備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。
四、諧波在配網(wǎng)中的危害
1.諧波對于配電系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)在對線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和拒動，系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動和拒動，與諧波不無關(guān)系。所以諧波超標，會嚴重威脅配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。
2.諧波會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，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標，影響工作人員的身心健康。對于電力電容器，諧波會導致端電壓升高，損耗加大，電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命。
3.配網(wǎng)中使用大量異步電動機，產(chǎn)生的諧波會增加附加損耗。負序諧波產(chǎn)生的負序旋轉(zhuǎn)磁場，會產(chǎn)生制動力矩，影響電動機的有功出力。對斷路器而言，無論其構(gòu)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。
4.電能表是評價電能消耗重要而基本的測量工具，是用戶繳費的憑證，而諧波可能使電能計量產(chǎn)生較大誤差，嚴重時會導致計量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動，保護誤動和拒動的重要因素。此外，諧波會通過靜電感應、電磁感應以及傳導等多種方式耦合進通訊系統(tǒng)，影響它們的正常運行。對于人體，諧波會刺激人體細胞，使正常的細胞膜電位發(fā)生快速波動或可逆的翻轉(zhuǎn)，當這種波動或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時，會影響人體大腦與心臟。
五、配電網(wǎng)諧波治理的對策
1.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：
(1)加強標準和相應規(guī)范的宣傳貫徹。IEC6100以及國標GB/T14549-1993，對于諧波定義、測量等進行了宣傳，明確諧波治理是一項互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設備安全穩(wěn)定運行的舉措；
(2)主管部門對所轄電網(wǎng)進行系統(tǒng)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，可設置長期觀察點，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產(chǎn)生了超標的諧波污染。
(3)針對諧波的產(chǎn)生和傳播的特點，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(chǔ)上，通過適當加裝濾波設備來減小諧波注入電網(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(nèi)。
(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，要調(diào)動電力供需環(huán)節(jié)中的各個方面，在分清諧波來源基礎(chǔ)上，走共同治理之路。
六、結(jié) 論
諧波治理是綜合治理過程，是改善供電品質(zhì)的重要手段。GB/T14549-1993《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行了量化限制，對用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進行了相應的規(guī)定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理有明確的規(guī)定和要求，而日益發(fā)展的農(nóng)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(nóng)網(wǎng)中的高壓配電的許多用戶，對諧波的危害也沒有引起足夠的重視，往往認為諧波治理是電力部門的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門有必要加強諧波治理方面的宣傳，強調(diào)諧波治理的重要性和投資回報。在對諧波準確測量的基礎(chǔ)上，提出適合用戶的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個網(wǎng)絡的電力品質(zhì)，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高
