高耗能負荷集中地區電網諧波分析

劉 保

石嘴山供電局，寧夏石嘴山 753000

0 引言

近年經濟高速發展，給國家帶來了大量的經濟財富，同時也帶來了不可忽視的工業污染、工業負荷等大量問題。尤其是在冶煉、電石等高耗能產業集中的西北地區，工業用電負荷問題已具一定規模，沖擊性、非線性負荷容量的不斷增長，導致大量可威脅電網安全的諧波的產生。諧波騷擾電網運行性能，無疑減弱了電網可發揮的正常效力，降低了工作效率，從而影響了國民經濟生產值。

1 諧波源的分類

當電力系統中某些設備的電壓和其負荷電流不成正比、達到非線性時，會導致電波畸形比如變壓器、交直流交換器、電弧爐等設備，都可能發生非線性變化。如果非線性設備繼續存在電力系統中，當此設備承載傳遞、交換、吸收電力系統所供給的基波能量時，非線性設備會自主的將所吸收的部分基波能量轉換為諧波能量。諧波能量會導致非線性設備向系統輸送大量的高次諧波，進而引起電力系統正弦波形變形，最終結果是電能質量的降低。

電力系統中的許多部件都可發生非線性變化，按其類型可分為以下幾類：如變壓器、電抗器等含有鐵心的部件發生鐵磁飽和非線性諧波；如整流器等交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關等電子開關型非線性諧波；如冶煉電弧爐在熔化期間、交流電弧焊機在焊接期間，因電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性的電弧性諧波。此外，三相供電中還存在三相不平衡的非線性特性，比如電氣鐵道、由低壓供電的單相家用電器等，都屬于三相不平衡非線性。

2 高耗能集中地區諧波主要來源

2.1 電弧爐

某地區年用電結構圖顯示，鐵合金工業用電量占46.06%，電石工業占27.77%，碳化硅占10.01%。如此冶煉工業發達的地區，高耗能負荷就較為嚴重，諧波現象存在也較為廣泛。而電爐是冶煉工業中最為廣泛應用的一類高能效加熱源。其中的電弧在熔煉金屬時爐產生的電流波形圖很不規則，會產生間諧波、2次到7次諧波等。此外，中頻爐也是生產高次諧波的一個主要部件，中頻爐在冶煉金屬時，極易產生5次、7次、11次等奇次諧波。試想如此大規模的生產諧波，將會為電力系統帶來多少負擔。

2.2 用戶變壓器群

變壓器是電網系統中不可缺少的部件，其數量和作用都是相當龐大的。但是變壓器也極易產生諧波分量。具體原理為，三相變壓器的組成形狀為日字形，頂頭兩相的長度大于中相，造成三個磁路的不對稱性。磁路的不對稱則造成變壓器磁電流中含有少量的諧波。雖然這個諧波的分量很小，但是由于各個變壓器的互相連接，就造成變壓器磁電流中諧波的疊加，最終形成大規模的諧波能量。

2.3 電氣化鐵路

諧波的另一個主要來源是電氣化鐵路。因為電氣化鐵路是單相供電，即110kV電壓經牽引變壓器后來供給電力機車。電流經牽引變壓器后會產生波動性大的牽引負荷，和負序電流、電壓。而負序分量中就含有諧波成分，雖然諧波占有的比例較小，但是牽引符合沿線分布特別廣泛，所以牽引負荷產生的諧波仍然是不容忽視的。

3 抑制諧波的主要措施及各自的優缺點

諧波已成為全民公敵，消除諧波的危害演變到刻不容緩的地步。

3.1 主動治理

所謂主動治理，即從諧波產生的源頭入手，消除諧波源產生的條件，把其滋生成分扼殺在搖籃。我們可以從三個方面入手，控制諧波源。

其一，對變流器采取措施。一方面可采用四相限變流器等高功率變流器；另一方面也可改造變流器的裝置來增加變流器的相術及脈沖數。此方法可有效的減小諧波量，但是對裝置的配置和工作方式有一定的要求，同時還會使得裝置更加復雜；

其二，利用諧波的自身特點?？沙浞掷弥C波自身可互補、可疊加的特點，來減小諧波的影響。比如可以利用三次倍數的諧波和外部的三次倍數的諧波源，把諧波電流加到產生的矩形波形上來降低諧波。但是，此方法只有在保證三次倍數的諧波源與系統的同步的情況下才能發揮效力，且諧波發生器的功率消耗非常之大，可占據整流器直流功率的十分之一；

其三，新技術的使用。通過新技術的輔助，增加諧波的頻率，降低諧波的幅度，使其越來越靠近正弦波形狀。此辦法有很大的局限性，只對自關斷器件構成的變流器有效。

3.2 受端治理

所謂受端治理，是指改造已經被諧波感染的設備，來提高其抵抗諧波干擾的能力。受端治理的措施主要有以下幾種：

1）選擇合理的供電方式。通過增大諧波源的電壓來避免諧波源會危及更多用電設備和系統。由此對諧波危害的減弱有較大成效，但是此方法要在規劃和設計階段考慮；2）改造電容器，避免電容器對諧波的放大。當諧波流向電容器時，在保證電容器安全運行的前提下，通過適當改造電容器來有效控制諧波的流通，避免電容器放大諧波現象的出現。比如可以控制電容器的投入容量，還可改變電容器的串聯電抗器等等。此方法可確保電容器組的安全運行，也可有效的減小電容器組對諧波的放大，但卻需專門設計來達到此效果；3）改善設備自身的機體性能。一方面要通過改進設備性能來提高設備抗諧波干擾的能力；另一方面可安裝諧波保護裝置，避免諧波損害設備的惡性事件的發生。對諧波較為敏感的設備可通過此法有效隔離諧波，但是對其他部件而言，效果不甚理想。

3.3 被動治理

被動治理，即借助濾波器來切斷諧波流向電網的通路。比如可在可在諧波源附近安裝高波濾波器等無源濾波器PF來吸收諧波電流；也可通過在諧波源附近串聯或者并聯有源濾波器APF，來隔離諧波。二者各有利弊：無源濾波器PF成本低，技術成熟，運行維護簡單，但只能對特定諧波進行濾波，且濾波效果不好；相對而言有源濾波器APF效果好，能迅速響應諧波的頻率和大小的變化，但裝置造價較高。當然，此二法也可混合使用，可集PF成本低廉和APF性能優越于一體，達到更高的效果。

4 結論

綜上所述，鏟除諧波危害是社會發展的需要。根據產生諧波的原因不同，對癥下藥采取相應的措施，可事半功倍。在電力系統中消除諧波污染，除在電網中采取一定的措施外，還必須依靠全社會的支持和配合，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經濟損失。

[1]2009年度**地區電網運行方式[M]，2009.

[2]林海學.電力系統的三相不平衡[M].北京：中國電力出版社，1996.

[3]李建明.電網電能質量分析評價技術研究[EB/OL].山東：技術研究，2008.