王钟
新疆同益投资有限责任公司
摘要：随着生活水平的提高，人们在对电能需求量日益增加的同时，对供电质量的要求也越来越高。近年来，人们常在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但由于电气设备越来越多地采用了高效节能新技术，同时出现了非线性负荷，也产生了大量的谐波电流。此外，大量的电力电子设备在给人们生活提供便利的同时，也导致大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。因而了解谐波产生的机理，研究消除电力系统中的谐波问题，对于改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。
1.电网系统谐波危害分析
由于电网中含有大量的谐波源以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，引发输配电事故的发生。概括起来谐波的危害主要有以下几点：（1）引起串联谐振及并联谐振，放大谐波，造成危险的过电压或过电流；较高的高频谐振过电压可能引起电压互感器的绝缘破坏或避雷器爆炸。（2）谐波电压加在电容器两端，使电容器过负荷甚至烧毁。（3）加速电气设备及电力变压器绝缘老化，使其容易击穿，从而缩短它们的使用寿命。（4）使设备（如电机、继电保护、自动装置、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等）运转不正常或不能正确操作。（5）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正确传递，甚至损坏通信设备。（6）使开关（断路器）过载，造成经常性跳闸。由于谐波电流在导体表面流动，引起导体发热，降低了开关的实际容量所致。（7）使无功补偿设备部件损坏，无法进行无功补偿，加大线路损耗，降低变压器容量。（8）对变电所的继电保护产生干扰，易造成保护误动作，导致区域性停电事故。（9）对家用电器产生危害，如空调、微波炉、电视、电脑、冰箱等。（10）使计量电能的感应式电能表计量不准确。
2.电网系统谐波的抑制研究
鉴于谐波存在多方面的危害，对电力系统安全生产和生活存在很大隐患，根据国家对谐波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或补偿已产生的谐波尤为重要。要消除谐波污染，除了大力发展高效的滤波措施外，还必须在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。
在我国电网系统的高压成套设备中，普遍采用装设消谐器的方法抑制谐波，常采用在电压互感器柜中装设简单的一二次消谐器的方法来消除谐波。其接线方法简单，维护容易，成本低廉，因此得到广泛应用。此外，还可以通过限制接入电网的变流设备和交流调压装置等的容量；采取技术措施加强电容器管理，通过改变电容器的串联电抗器或将电容器组的某支路改为滤波器，限制电容器的投入量，可有效防止或减少并联电容器对谐波的放大，从而保证电容器的安全运行；通过采用高性能的用电设备，改善其谐波的保护性能，提高设备的抗谐波干扰能力，增加系统的承受谐波能力，减少谐波事故的发生。可以建立谐波监督管理体系，明确职责，认真开展谐波的测试、研究、分析以及技术培训。认真分析产生谐波的原因，积极开展事故预想，制定切实可行的反事故措施，减少谐波事故的发生。
3.铁磁谐振消除技术的比较
发生铁磁谐振时产生的较高过电压和较大的过电流，极易使电力设备的绝缘损坏，严重情况下危及运行人员的安全，为解决此类问题，电力系统中使用了消谐装置。
3.1一次消谐器消除谐振的原理
一次消谐器实际上是一个非线性消谐电阻R0，串接于电压互感器一次侧中性点与地之间。
电网正常运行时，消谐器上电压小于500V，R0呈高电阻值，阻尼作用大，使谐振在起始阶段不易发展；当电网单相接地时，消谐器上电压较高，R0呈低值，电网弧光接地时，R0仍能保持一定的阻值，可以限制互感器涌流。
该装置具有消除电压互感器饱和谐振和限制涌流两种功能，但在实际应用中存在以下缺点：
（1）中性点为半绝缘结构，R0→∞，即电压互感器高压侧绕组中性点变为绝缘了，电压互感器的电感量不参与零序回路，也就不存在电压互感器饱和过电压，但R0太大，当电网出现单相接地时，大部分零序电压降在R0上，会使开口三角形电压太低，电压互感器零序电压U0的测量值有误差影响接地指示灵敏度和保护装置正常动作。
（2）一次消谐器存在唯一性，一次消谐器只能限制所接电压互感器不发生谐振。当发生单相接地故障时，且系统中有多台高压侧中性点接地的电压互感器同时运行，则必须每台电压互感器均在中性点安装消谐电阻器方有效。
（3）单相接地时，电压互感器的零序电压U0的测量值有误差，对U0幅值和角度精度要求较高的场合（如微机接地选线装置）不适宜使用。
（4）装置自身的热容量有限，即使选用热容量相对较大的LXQ型，在持续时间较长的间歇电弧接地过电压激发下，装置仍有损坏发生。
3.2二次消谐器对消除谐振的原理
二次消谐，即微机消谐装置，采用高性能的单片微机作为核心元件，对PT开口三角电压进行遁环检测。正常工作情况下，该电压小于30V，装置内的大功率消谐元件（固态继电器）处于阻断状态，对系统运行不产生影响。电网发生故障后，消谐装置将自动记录、存贮，并自动报警、显示谐振信息（时间、频率、电压值）。故障消失后，返回起始状态，并继续检测电网中的状态，仪器虽然精密，但还是存在一定的缺陷。
（1）当电网内发生单相接地时，电压互感器开口三角形绕组两端会出现100V的工频零序电压，这样阻尼电阻的容量就要求足够大，当阻尼电阻太小，一方面电阻本身可能因过热而烧坏；另一方面，电压互感器也可能因电流过大而烧损。当涌流发生时，它会将二次开口三角短路，折返而会增大涌流幅值。
（2）难以正确区分基波谐振和单相接地，目前判断的主要依据为零序电压U0的电压值，通常基频谐振定为U0≥150V，单相接地定为30V≤U0＜145V。为了防止单相接地时装置误动使电压互感器长时间过载而烧毁，只好将基频谐振的判据电压定的比较高。
3.3三次谐波限制器对谐波抑制的原理
三次谐波限制器是消谐器的可选附件，主要由正温度系数电阻（PTC）、保险丝、电压指示电路、谐振次数记录电路组成。其中的PTC和PT开口三角的内阻形成了三次谐波限制电路。附件中的PTC串联保险丝后接在开口三角的两端，PTC对高电压呈高阻（100VAC，阻值>2kΩ），对低电压呈低阻（5VAC，阻值<20Ω），既可以有效限制谐波，而对电路正常的接地信号没有什么影响。并且在此谐波限制电路中串上了保险丝，避免了任何情况下开口三角的短路。但当发生单相接地等异常情况，较大能量流过PTC产生的热量使其电阻值瞬间升到高阻，相当于将整个限制器电路与开口三角断开连接，从而保障限制器及PT的安全。
4.结论与认识
为了能够更好地、更有效地消除谐振，我们设计了一种将二次消谐装置与三次谐波限制器相结合的一体机，它既能实现各自工作时的功能，又能弥补单独使用时的不足，而且还能达到两者结合后产生的新特性，即能够彻底消除谐波含量中成分比重较大的三次谐波，极大地提高了电力系统安全稳定运行的可靠性。
参考文献
[1]刘继军.PT铁磁谐振过电压的产生原因与抑制措施[J].电气开关，2011（1）：4-6.
[2]李燕青，陈志业，李鹏，等.电力系统谐波抑制技术[J].华北电力大学学报，2001，28（4）：19-22.