工廠供配電中諧波的影響與抑制

潘可喜

（五礦二十三冶建設集團有限公司 湖南長沙 410000）

工廠供配電中諧波的影響與抑制

潘可喜

（五礦二十三冶建設集團有限公司 湖南長沙 410000）

工廠中的非線性負載是工廠電網諧波的主要來源，通過分析工廠的電網諧波電流污染情況以及對設備的危害，提出幾種工廠的主要諧波抑制的措施。

諧波；工廠；抑制

1 引言

在理想狀態下，電網中的電流和電壓都是純粹的正統波。近年來，隨著電力電子設備的廣泛應用，使電網運行中的諧波分量急劇增加，從而嚴重影響了電能質量，危及用電安全，造成能源浪費。

所謂的諧波即是通過傅立葉實現對周期性非正弦電量的分解，從而得到一系列具有不同頻率的分量，其中比基波頻率大的部分即被稱為諧波，其頻率和基波頻率的比值則是諧波次數。當正弦基波對非線性設備施加電壓時，其產生的電流和施加電壓的波形不同，從而導致電流防滲畸變，諧波由此產生。諧波在電網中，主要分為含半導體的非線性元件和含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源這兩類。

諧波污染不僅對工廠電網安全供電以及工廠的安全生產都有危害，還會造成電能損耗的增加，應對工廠電網的諧波狀況有清晰的認識，并有相對應的措施。

2 變壓器諧波抑制

諧波會直接導致變壓器過熱，實際上，電力電子裝置被廣泛應用前，變壓器就是存在于電網的諧波源。

勵磁回路的非線性直接產生了變壓器的諧波電流，一般情況下，正弦電壓是被施加在變壓器上的，則該電壓和鐵心磁通是一種微分關系，如下：

式中：N和φ分別為變壓器的繞組匝數和鐵心磁通。

由此可見，鐵心磁通是根據正弦規律發生變化的，區別在于鐵心磁通的相位比電壓的相位后π/2。鐵心的磁化曲線直接決定了勵磁電流和磁通的關系，由于磁化曲線屬于非曲線，直接導致正弦磁通產生了非正弦的電流。從傅立葉對波形的分解來看，含有把3次諧波作為主體的奇次諧波。

變壓器有一側采用了三角形進行聯結，有利于為3的倍數次諧波提供有效通路，從而使鐵心磁通和電動勢更加接近正弦波，而3的倍數次諧波所產生的電流只在三角形回路中進行流通，不允許流入公用電網，而6k±1次諧波是可以流入公用電網的。如表1所示，D，yn11聯結組變壓器高壓側繞組為三角形聯結，從而可以有效抑制3的倍數次高次諧波流入高壓電網。

表1 兩種接線組別變壓器原副邊波形分析

3 變頻器諧波抑制

變頻器的組成部分主要是大功率二極管整流和晶體管逆變，電流高次諧波會在輸入電路和輸出電路中出現，會對供電系統、負載電機及其他鄰近電氣設備總成諧波干擾，而對儀表控制設備造成電磁干擾（EMI）。抗干擾主要從對干擾源的一直和消除入手，對傳導的高頻電流進行濾掉或隔離處理，直接屏蔽輻射源和受到干擾的儀表線路，主要常用的方法如下：

（1）將電抗器串接在變頻器的輸入和輸出側，在變壓器的輸出側再串接零序電抗器，或在容量比較大的變頻器處安裝LC型諧波濾波器，以此來實現對諧波的有效抑制。

（2）通常，變電所在日常運行中，會用到大量變頻器，在對其進行設計時，要保持變頻系統供電電源和其它設備供電電源的獨立性，還可以將隔離變壓器安裝在變頻器和其它用電設備的輸入側處，從而切斷諧波所產生的電流。

（3）電機和變頻器之間電纜可穿鋼管敷設或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號保持較遠距離，防止輻射對其進行干擾。

（4）變頻器對電纜的控制。主要采用屏蔽線，在布線時，要注意和主回路控制線保持一定的距離，從而實現對輻射干擾的有效切斷。

（5）變頻器可使用專有的粗短線進行接地處理，并分開相鄰其它電器設備的地線和變頻器的配線，從而有效抑制電流諧波和鄰近設備的輻射干擾。

4 高次諧波對并聯電容器的影響及抑制措施

高次諧波對并聯電容器的影響，表現在以下三個方面：

（1）增加電容器損耗。電容器中存在一定的諧波電流，會直接加大電容器在運行時的損耗功率。

（2）增加無功輸出。由于存在一定的諧波電流，電容器所發出的總無功主要包括基波無功和諧波無功。

（3）導致諧波過電壓或過電流的發生。諧波的存在，在一定程度上，會導致電容器和整個系統之間產生串聯或并聯諧振的現象，從而引起電容器過電壓或過電流。

以上現象都會導致電容器過熱，從而損壞電容器的使用。因此，可從供電系統和無功補償裝置設計著手，采取有效可行的措施，來降低或避免高次諧波對電容器的損害，具體方法為：

（1）降低高次諧波電流發生量。以整流裝置為諧波源的系統，在經濟合理時，可增加整流相數和整流脈沖數；多臺相數相同的整流裝置，使整流變壓器二次有適當的相角差。

（2）設置濾波器。當發生的高次諧波造成的諧波指標超過國家規定值時，宜將無功補償電容器作成濾波器。

（3）串電抗器。為減少電容器和合閘涌流里存在諧波，可對適當參數的電抗器進行串聯。在可能產生的任何諧波下，選擇合理的感抗值，使得電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從而減少降低發生諧振的可能性。電抗器的感抗值按下式計算：

式中：XL——串聯電抗器的感抗，Ω；

Xc——補償電容器的工頻容抗，Ω；

n——可能產生的最低諧波次數；

K——可靠系數，一般取1.2～1.5。

對6相整流線路，n=5，則：

為了避免出現鐵磁諧振的現象，通常情況下，可采用無鐵芯的電抗器。電抗器的額定電流要比電容器的實際電流稍大。但要注意的是，串聯電抗器會造成電容器基波電壓的升高，其值為：

式中：Uc——電容器的基波電壓升高，kV；

U1——系統額定電壓，kV。

對于5次諧波，端電壓升高可達6%，所以電容器額定電壓應高于系統電壓。用于星形或雙星形接線，6.3kV系統應采用4kV電容器，10.5kV系統應采用6.6kV電容器。

（4）避免串聯諧振。系統發生串聯諧振的頻率或次數為：

式中：f——系統的基波頻率，Hz；

fs——串聯諧振頻率，Hz；

St——變壓器額定容量，kVA；

Zt——變壓器阻抗的標幺值，%；

SL——負荷容量，kVA；

QC——電容器的額定容量，kvar；

ns——串聯諧振的諧波次數。

在串聯諧振時，一較小的諧波電壓，就可形成較大的諧波電流流過電容器，在電容器等參數的選擇上應避開諧振條件。

（5）避免并聯諧振。發生并聯諧振的頻率或次數為：

式中：Sk——電容器連接處母線短路容量，MVA；

np——并聯諧振的諧波次數。

并聯諧振對諧波源呈現高阻抗，使得母線諧波電壓升高，造成電容器回路諧波電流很大，甚至可達十幾倍到幾十倍。

并聯諧振次np的演算，應考慮系統運行方式的變化，即要驗算系統Ssmin～Ssmax范圍內可能出現的并聯諧振點。當為了確定諧振的情況時，應測量負荷側和電源側的諧波電流，以及母線的諧波電壓。

5 結束語

以上是工廠中幾種最常見的諧波問題及解決辦法。只要我們重視，就可以保證設備安全與系統穩定運行。

TM714

A

1004-7344（2016）14-0060-02

2016-4-26

潘可喜（1978-），男，工程師，項目經理。