電力系統諧波分析

張超

【摘 要】電力系統中共2只變壓器，總容量為4000KVA。用電設備為直流電機驅動，變頻器大量運用，用電過程中產生了大量的諧波，同時電流嚴重滯后于電壓，功率因數極低，對系統造成了不良后果，主要是：1）系統存在較嚴重的諧波電流、電壓，注入公共連接點后，污染了公用電網。同時給企業自身造成變壓器溫升過高，附加損耗增加、線損增加，影響公司內部辦公系統計算機運行不正常，造成電能資源浪費等問題，給企業帶來了一定的經濟損失。2）無功沖擊較為嚴重，已造成35KV母線電壓波動、壓降較大。3）大量的諧波和無功沖擊給供用電系統帶來了安全隱患。本人多年一直從工廠電氣管理工作，對諧波治理工作積極參加改造工作，對諧波產生的原理積極探索。在鎮江供電部門協作下，諧波治理取得顯著效果。本文主要從諧波產生的危害，諧波的危害防治手段，提出了一套有效的防治手段，為日后解決諧波產生的危害的防治具有較大參考價值。

【關鍵詞】諧波干擾；諧波危害；防治手段

1 電力諧波的來源

1.1 輸配電系統方面

因為變壓器里面的鐵心具有磁飽和性，而且變壓器的鐵心飽和后是非線性的，由于工作在磁通密度高的環境，更易產生諧波，所以產生的諧波危害頻率很大。

1.2 多種電器設備的裝置方面

在電子整流的設備中，電子整流設備，諧波晶閘管整流裝置采用的是移相控制，它從電網吸收缺角的正弦波，留給電網的也是缺角的正弦波，顯然留下的這部分缺角正弦波中含有大量的諧波。

2 電力諧波的危害性

2.1 電力諧波對輸電線路的影響

供配電系統中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管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。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對10% 以下含量高達40% 時又導致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統。

2.2 電力諧波對變壓器的影響

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度， 諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言， 會大大增加勵磁電流的諧波分量。

2.3 電力諧波對電力電容器的影響

當電網存在諧波，含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，不僅使電容器運行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，使電容器在運行中發生局部放電時電弧不能熄滅，對絕緣介質更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命，在諧波嚴重的情況下，還會引起電容器過負荷擊穿甚至爆炸。

2.4 對通訊系統工作產生干擾

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時， 在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓， 干擾通信系統的工作， 影通信線路通話的清晰度， 甚至在極端的情況下， 還會威脅通信設備人員的安全。

2.5 對公用電網的危害

（1）諧波電流使輸電線路、發電機、電動機、變壓器產生附加損耗、溫度升高， 導致網損增大， 并使發電機、電動機、變壓器振動和噪聲增加。

（2）使異步電動機的轉矩曲線發生嚴重畸變， 不能達到額定轉速運行，導致用戶的異步電動機大批損壞。

（3）這些諧波中的較低次諧波諧振會使換向不穩。

（4）若電網諧波較大， 會延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用， 導致單相重合閘失敗， 或不能采用較短的自動重合閘時間。

（5）諧波電流會對通信、繼電保護裝置、自動控制裝置產生干擾， 引起繼電保護裝置的誤動等。

（6）造成電容器的損壞。電力系統中的諧波對并聯補償電容器有較大影響：增加介質損耗， 使電容器溫度升高， 導致電容器熱擊穿；引起或加劇介質內部的局部放電， 促使電容器損壞。據統計因諧波而損壞的的電器設備中， 電容器占40%。

2008年12月8日，我公司遣派現場工程師，對35KV∕400V整流變進行現場諧波測量，測量結果如下：

1）35 KV整流變400V進線處諧波數據：

H5H7H11H13THD備注

諧波電壓（%）4.30.41.40.24.8%

諧波電流（A）4.143.240.963.2428.4%

2）35 KV整流變低壓測量數據：

H5H7H11H13THD

Y繞組諧波電壓（%）4.12.34.61.78.7%

諧波電流（A）40747831635.5%

D繞組諧波電壓（%）4.71.751.69.6%

諧波電流（A）33317832033.3%

3）功率和功率因數：

有功功率無功功率視在功率功率因數

1608 KW3190 KVAr3573 KVA0.45 PF

3 采取的主要措施

主要技術參數：總補償容量：1880 KVAr 安裝容量：5100 KVAr

濾波補償支路2條 基波補償量：390 × 2 KVAr

H4-1 濾波補償支路2條 基波補償量： 80 × 2 KVAr

H4-2 濾波補償支路2條 基波補償量： 40 × 2 KVAr

H7 濾波補償支路2條 基波補償量：270 × 2 KVAr

H11 濾波補償支路2條 基波補償量：160 × 2 KVAr 。

4 項目效果

設備投入運行后，經測量達到了以下效果：

4.1 注入公共連接點的諧波電壓、諧波電流已達到了GB/T 14549-93標準要求

電壓總諧波畸變率分別為3.6%和2.5%，已在國標范圍內，各次電壓諧波均在國標限值范圍內。

約值：△S = 1.732×U0×I0-1.732×U1×I1 = 804 KVA

視在功率節省率：= 24.5%

4.2 變壓器損耗節省值

4000 KVA變壓器的短路有功損耗查數據手冊取Pk = 50 KVA

短路無功損耗取Qk=U k*Se

取無功經濟當量λ = 0.1，則節省的有功損耗為：

△PB = （S1/ Se）2 ×（Pk+λQk）-（S2/ Se）2×（Pk+λQk）

其中S1為補償前視在功率，S2為補償后視在功率

計算得：

△PB =24 KW

4.3 線路損耗

有功功率為P，平均功率因數為cos？準1 = 0.50，平均線損率為r

則在裝置投入前線損為：

Ps1 = Pr

投入后，功率因數提高到cos？準2 = 0.90，線損下降到Ps2，有功損耗下降值為：

△Ps = Ps1- Ps2

Ps = Pr cos？準1/ cos？準2（下轉第42頁）

（上接第71頁）設λ1 = tg？準1，λ2 = tg？準2

又 Q = Ptg？準

所以：

Cb = △Ps/△Qc= 2cos2？準1tg？準2r

其平均降損當量為：

Cb = r cos2？準1（λ1+λ2）

r一般為2%，則：

△Ps/△Qc = 0.02×0.5×0.5（1.732+0.4843）= 1.11%

補償1920 KVAr，所以線損減少：

1.11% × 1920 = 21KW

4.4 諧波能量也源于基波，故濾除后也能節省可觀的能量，但難于精確計算。

4.5 有功總節約值：

P=24 + 20= 44 KW

按每天24小時，每月30天，則日節電量：44*24 = 1056 KWh

電費以1元計，則日節電費：1056 KWh*1 = 1056元

諧波濾除裝置既能滿足無功補償的要求，又能濾除諧波，節能降耗效果明顯，同時諧波濾除裝置比無功補償電容器組安全，適應在諧波狀態下運行，不會與系統在整次諧波下發生并聯諧振，嚴重放大諧波。諧波濾除裝置給各種設備以潔凈的電力環境，保證精密設備安全工作，延長設備壽命。

5 結語

本公司的方法實踐證明行之有效，通過諧波治理和節能技術在電氣方面的應用，大大提高設備安全運行和降低企業的用電量，提高企業的核心競爭力，本人參與的電氣設備技能改造取得了良好經濟效益，日常管理也得到領導好同事的認可。希望管理水平和節能技術能

為企業的發展貢獻更大的力量。

帝高力35kv/400v 配電電氣圖（圖1）：

圖1

公司配電柜圖（圖2）：

圖2

【參考文獻】

[1]郭宏.變頻控制在熱力企業中的應用[J].太原科技，2010，3：59-60.

[2]王勇，陳德賦，李國常.節能與環保.2010，3：32-35.

[3]呂潤馀.電力系統高次諧波[M].北京：中國電力出版社，1998.

[4]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版.

[責任編輯：丁艷]