淺析諧波產生的原因及抑制措施

付曉春

(江西銅業集團公司武山銅礦，江西 九江 332204)

1 引言

在電力系統中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態，為用戶提供高效使用電能的手段。但是，工礦企業的電力設備為交直流傳動設備、主井提升機和一些沖擊性負荷，所以在系統運行時產生大量的高次諧波，功率因數下降，并且造成電壓波動，降低系統的電能質量。電力設備的電能損耗增加，對電力設備還會產生負面影響。因此，研究和分析諧波具有著重要的現實意義。

2 諧波產生的原因

在電力系統中，諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。它們向公用電網流入諧波電流，在公用電網中產生諧波電壓，在電網阻抗下產生諧波壓降疊加到電網基波上，引起電網電壓波形畸變[1]。

3 諧波在電力系統中的危害

3.1 對供電線路的影響

在電力系統中，中性線電流都很小，線徑一般都很細，當大量的諧波電流注入中性線時，會在中性線上產生大量的熱量，不僅會破壞線的絕緣，嚴重時會造成線路短路，甚至引起火災。供電線路由于集膚效應和鄰近效應，線電阻隨著頻率的增加而增加，并造成線路中很大的電能浪費[2]。

3.2 對電力設備的影響

3.2.1 對電力變壓器的影響

諧波電流通過變壓器時，變壓器的鐵芯損耗明顯增加，變壓器會出現過熱，運行效率降低，變壓器的壽命將會縮短。除此之外，諧波還會導致變壓器噪聲增大[3]。

3.2.2 對電力電容器的影響

電力系統存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗增加。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，使電容器異常發熱，在電場和溫度的作用下，引起電容器過負荷甚至爆炸。

3.3 對用電設備的影響

例:諧波對異步電動機的影響。主要使電動機的附加損耗增加，效率降低，產生顯著的脈沖轉矩，可能出現電動機轉軸震動的問題。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，對電動機起制動作用，從而減少電動機的出力[4]。

3.4 對繼電保護和自動裝置的影響

在工礦企業的電力系統中，電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設備的安全。諧波常會引起繼電保護以及自動裝置的誤動作或拒動，造成整個保護系統的可靠性降低，容易引起系統故障或使系統故障擴大。

4 實例分析

近年來，某井下礦山隨著企業生產能力不斷提高，對于供電系統的要求也隨之增加。而供電系統的安全性和可靠性從很大程度上直接關系到礦山的安全生產以及員工的生命安危。生產工藝改造后，大功率硅整流設備、變頻器、異步電動機等設備的投運，電力負荷急劇增大，產生大量的12K±1次諧波(尤其是5次、7次、11次等奇次波)并入系統。并聯電力電容器對諧波進一步的放大作用，導致電源波形嚴重畸變，并發系統內電壓的波動及短時閃變。變電站供電系統中一直未裝設6kV電網濾波裝置。使電力系統的功率因數從0.97降至0.87左右。功率因數低于供電公司考核標準0.9，力率電費的征收將給企業造成不必要的經濟損失。因電網諧波的存在，給變壓器、電動機、電容器及電能計量產生負面的影響，同時也造成電能損耗的增大。針對電網存在的問題進行分析，先后邀請有關專業技術人員對電網電能質量進行檢測，測試表明電力系統的電能質量指標總體上已超出了國標要求，電網電壓總諧波畸變率達到6.62%，超出國標4%的限值范圍[5]。

4.1 測算系統無功補償的容量

補償容量方案一:電網的平均負荷 P=13000kW，補償前后的功率因數

cos∮1=0.89，cos∮2=0.92。需要配置補償的容量Qc為:

考慮到原有的無功補償裝置的電力電容性能下降，容量變小，該方案不能達到補償效果。

補償容量方案二:補償前后的功率因數cos∮1=0.88，cos∮2=0.93。需要配置補償的容量 Qc 為:

4.2 無功補償及濾波裝置的選型

某井下礦山電網最大負荷15000kW，平均負荷13000kW。無功功率補償，必須補償到恰到好處才行，補償不夠，達不到要求要被罰款。補償過頭了，也會導致功率因數降低，如果低到標準之下，還是要被罰款。因為過補償，實質上是容性無功功率過大了，既然是無功功率過大，無論容性還是感性，都是無功功率，都導致功率因數降低。若過補償會導致線路的電壓升高，影響設備正常工作。故考慮到經濟性、安全性要求，選定方案二，濾波裝置總容量為1630kvar，對系統進行設備選型[6]。6kV 母線濾波裝置FC參數配置(見表1)。

表1 FC參數配置

4.3 方案實施

根據計算的結果及主井提升機的運行方式，在110kV變電所6kV母線側裝設FC無功補償及濾波裝置，根據諧波源的性質，在裝置中設有5次、11次加高通兩個濾波支路。整套濾波裝置利用6kV配電室的兩個進線開關柜，裝置的保護在開關柜上，利用原有的電容器再串聯電抗器后做成11次帶高通濾波支路，另外在重新設計一個5次濾波支路，這樣裝置安裝后不僅可以補償系統的無功，而且在諧波頻率下可以濾除高次諧波，滿足系統安全運行的要求。

4.4 效果檢查

4.4.1 功率因數的效果

供電公司功率因數調整電費考核標準為0.90。FC無功補償及濾波裝置投運后，月平均功率因數達到0.95以上。

4.4.2 電氣設備運行環境得到改善

無功補償及濾波裝置投運后，電壓總諧波畸變率為0.5%，達到國標GB/T14549《電能質量公用電網諧波》[5]中對諧波電壓限值的范圍，減少了諧波帶來的干擾，提高供電質量，提高主井提升機等設備的安全可靠性，提高經濟效益，減少由于人為判斷而產生的安全事故，系統運行電壓進一步平穩，滿足設備平穩運行的需求。

4.5 效益評估

4.5.1 改造費用

該項目技術改造總投入費用52萬元。

4.5.2 經濟效益

(1)功率因數達標后獲得效益

110kV變電站主變壓器容量為20000kVA，年供電量9966萬kW·h。動力電價0.60308元/kW·h，基本電價28元/kVA·月，力調系數0.75%。無功補償及濾波裝置投運后，功率因數達0.95。供電公司對企業年免收電費獎勵:

(9966×0.60308+2×28×12)×0.75/100=50.12 萬元

(2)減少損耗效益

改造前，110kV變電站主變壓器年損耗235.8萬kW·h。改造后，主變壓器年損耗166.8萬kW·h。

減少有功損耗:235.8－166.8=69萬kW·h

年節約電費:69 ×0.60308=41.61萬元

因此，改造后年效益為:50.12+41.61=91.73萬元，7個月即可回收投資。

5 結束語

工礦企業電力系統普遍存在諧波污染的現象，綜合動態的諧波治理措施與電網的無功功率補償問題，是企業當前面臨的一大課題。針對這一課題，在使用非線性負載時，對電力系統運行狀況加以分析，采取有效抑制諧波的措施，電力系統優化后不僅節電效果顯著，同時也提高了系統運行的可靠性，為電能質量的供應提供了保障。

[1]李明.高次諧波產生的原因、危害和抑制的措施[J].甘肅電力技術.2006，12－13.

[2]劉海軍.諧波對高壓輸電線路的影響及其解決措施[J].城市建設理論研究，2011(10):1－2.

[3]李珞新.用電管理[M].中國電力出版社，2007:12－15.

[4]王曉文.供用電系統[M].中國電力出版社，2005:76－85.

[5]GB/T14549，電能質量，公用電網諧波[S].1993.

[6]Q/GDW，電力系統無功補償配置技術原則[S].2008.