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浅谈电网谐波来源及其治理方法刘文彪

发表时间：2020/5/22 来源：《电力设备》2019年第23期作者：刘文彪1 张式萱2

[导读] 摘要：谐波的危害表现为干扰通信线路的正常工作；引起电机、变压器和电容器等电气设备附加损耗和发热，使设备温度升高，效率降低；绝缘加速老化，缩短使用寿命，本文对海上电网谐波来源进行介绍，并提出治理方法。

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        摘要：谐波的危害表现为干扰通信线路的正常工作；引起电机、变压器和电容器等电气设备附加损耗和发热，使设备温度升高，效率降低；绝缘加速老化，缩短使用寿命，本文对海上电网谐波来源进行介绍，并提出治理方法。
        关键词：海上；电网谐波；来源；治理方法；
        1电网谐波危害分析
        1.1对继电保护和自动装置的危害
        谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响严重，这是由于这些按负序量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动，变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器装置等发生误动，威胁电力系统的安全运行。
        1.2对输电线路的影响
        输电线路阻抗的频率特性使线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和输电线路的损耗，所以谐波使电网损耗增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波频率处于在网络谐振点附近时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏，同时产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，因其对地电容比架空线路约大10～20倍，而感抗仅为1/2～1/3，故更易激励出较大的谐波谐振和放大，造成绝缘击穿的事故。
        1.3对测量和计量仪器的危害
        由于电力计量装置都是按频率为50Hz标准的正弦波设计，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录该用户吸收的基波电能并扣除小部分谐波电能，造成谐波源虽然污染了电网，反而减少了电费；与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变差，而且增加了电费。
        1.4对用电设备的危害
        影响用电设备的正常工作谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件过热，计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯则会在一定参数的配合下，形成某次谐波谐振，损坏镇流器或电容器。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管或控制回路误动。
        1.5干扰通信系统的工作
        电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下威胁通信设备和人员的安全。高压直流换流站换相过程中产生的电磁噪声(3～10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
        2谐波的来源
        2.1变压器谐波
        变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的，我们知道在变压器中端口电压和铁芯磁通是微分关系，磁通也是按正弦规律变化的，磁通的相位比电压之后90度，而励磁电流和磁通的关系是有铁芯的磁化曲线决定的，而这个磁化曲线是非线性，这就导致变压器产生正弦磁通的励磁电流分量是非正弦的。这个励磁电流导致经过变压器的电流中有了谐波成分，将这个非正弦的励磁电流进行傅里叶级数分解后，会发现其含量都为奇次谐波，并且以3次谐波的含量最大。当然变压器也是电网产生3次谐波最主要的来源，但如果我们对低压母线进行谐波监测后却发现，3次谐波含量却是很低的，3次谐波到底上哪儿了？回到之前对谐波分量的分析，原来3次谐波是属于零序谐波的，当变压器联接组别是星三角时，3次谐波只会在三角形一侧内部流通，并不影响到星星一侧，而海上电网的降压变压器都是采用高压侧为三角形接法，而低压采用星星接法，3次谐波都被隔离在高压侧了，也就是说星星侧是无3次谐波的。
        2.2电力电子设备谐波
        变频器是典型的电力电子设备，属于相控设备，比如其内部的IGBT具有很好的开关特性，但其控制电压的相位本身就是让电量非正弦的原因，变频器等相控设备的整流单元是直接与谐波的产生有关系的。以三相桥式整流为例，将整流后的电流进行傅里叶级数分解后发现：

        其只含有6k±1（k为正整数）次谐波，也就是5、7、11、13、17、19次等谐波。而如果采用12相整流（将两个三相桥式整流的输出端串联，三相桥式整流可认为是6相整流，每相有两个方向相反的开关管），则可以达到谐波中只含有12k±1（k为正整数）次的谐波，如果是18相整流呢，则谐波中只含有18k±1（k为正整数）次的谐波，以此类推。
        3谐波治理的方法
        3.1改造谐波源
        要想消除供电系统谐波，最根本的办法就是消除谐波产生的根源。谐波产生的来源主要是各种非线性元件，所以企业首先应从电子装置入手，设法降低谐波产生的可能性。通过测试发现，增加变流装置周期可减少脉动次数，消减起伏的幅值，从技术层面达到消减谐波源的目的。使用该方法时应借助波段测试装置，通过技术方式对异常波段进行干预。另外，将高频率因数整流器运用到供电系统中，也可对谐波源进行自动改造。
        3.2科学选择变压器
        变压器中的很多非线性元件都会产生大量谐波。因此，选择变压器时，应选择合理正确的接线方式，从而有效阻止3N次谐波电流和不平衡电力，避免谐波通过原边传至供电系统中。在企业经常使用的三角形(星形)变压器中，不平衡电力和3N次谐波电流仅在初级绕组里循环流动，不会进入供电系统中。为保证三角形变压器的正常运作，一定要按照负载确定变压器额定容量，并为谐波畸变留出裕量，避免因谐波导致变压器发热，进而造成变压器损坏。
        3.3加装动态无功补偿装置
        减少谐波影响供电系统根本措施是在谐波源附近防止或减小谐波电流，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法有主动、被动两种，前者在已产生谐波的情况下采用传统无源滤波方法(由一组无源元件电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)；后者即有源滤波方法，利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。此外，在技术经济可行的条件下，还可在谐波源处装设动态无功补偿装置；静止无功补偿装置(SVC)或更先进的静止同步补偿装置，以补偿快速变动负荷的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度。
        总结：为确保企业正常、安全生产，必须高度重视供电系统谐波问题，有效抑制谐波产生的根源。供电部门和电力用户要尽力提高其抗谐波骚扰能力，有效预防供电系统谐波给企业生产带来的危害，确保企业实现健康有序运行的目的。
        参考文献
        [1]王延青.牵引供电系统谐波特性测试分析及抑制方案研究[J].河南科技,2018(32).
        [2]屈重年.海洋平台电力系统无功补偿及谐波治理应用研究[D].天津:天津理工大学,2009.
        [3]刘磊.配电网无功补偿及谐波治理技术研究及应用[D].山东大学,2019.