低壓配電的諧波分析與抑制

摘 要：隨著越來越多的人防工程被開發利用，在低壓配電系統中出現了許多非線性負載，如：變頻空調機、恒流穩壓給水裝置等，這些非線性負載會引起系統內電流、電壓波形發生畸變，產生大量的高次諧波，配電網諧波的危害日漸明顯，諧波治理已不容忽視。因此，分析引發諧波畸變的各類擾動源，并針對諧波畸變的危害提出相應的防范措施，對低壓配電系統的安全運行具有重要意義。

關鍵詞：低壓配電；諧波分析；諧波抑制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.170

1 低壓配電的諧波問題現狀

低壓配電系統諧波污染主要危害：（1）由于諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導致變壓器、電容器等電氣 設備的磁滯及渦流損耗增加， 而且使絕緣材料承受的電壓力增大； 再者，諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產生局部過熱、噪聲增大現象，從而加速絕緣老化，縮短變壓器等電氣設備的使用壽命，降低供電可靠性；（2）導致電力電纜發熱，在三相對稱回路中，三次諧波在三相導線中相位相同，在中性線上疊加后產生了3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，導致了中性線溫度升高。大量的OA設備及電子式熒光燈使三次諧波在系統中的占有率增大，因此，諧波引起中性線發熱的問題值得關注。當高頻電流通過導線時，線路集膚效應加重，線路外表面電流密度加大，就會導致線路（相線及中性線）發熱。（3）當配電線路與通訊線路平行或相距較近時，由于兩者之間存在靜電感應和電磁感應，容易形成電場耦合和磁場耦合，三次諧波分量效應更顯強烈，并在通訊系統內產生聲頻干擾。

2 低壓配電的諧波問題分析

諧波是一種電源能量變化現象，可能導致設備故障。諧波是周期波的正弦分量，其頻率是基頻的倍數。諧波可能導致計算機設備鎖定或導致數據變為亂碼，并導致變壓器，電機和中性線過熱。線性負載在整個波形中均勻地吸收電流。諸如開關電源的非線性負載僅在波的峰值處汲取電流。電流諧波不會傳播通過系統，電壓諧波將通過系統傳播，因為它們可以通過變壓器。隨著非線性電流增加，它們可能導致電壓中的諧波。在智能電網中，第5和第7諧波是畸變問題的最主要原因。這些諧波將容易導致標準配電變壓器過熱，燃燒中性導體，并在最壞的可能時間自然失效。在生產過程中替換變壓器的加擾，無論該生產是數據處理還是裝配線，是非常昂貴的。損傷諧波是基波60Hz的奇數階頻率，電子非線性負載是產生諧波的原因，非線性負載范圍從小型插入式電源到工廠中的大型自動化設備。

低壓配電中常見的諧波為三次諧波。在電力系統中，諧波是基波的倍數。因此，三次諧波頻率是基波的三倍。這種諧波在非線性負載中產生，非線性負載的例子包括晶體管、電動機和非理想變壓器。非線性負載產生基波干擾和各種諧波。由于功率系統的電流電壓有一定的特性，我們專注于三次諧波。三次諧波電源由三相系統提供，每相相位相差120度。這是由于兩個原因：首先是因為由于相電源的轉矩恒定，使用三相的發電機或者電動機更有效率，其次是因為在向負載供電之后，理論上可以添加三相放到中性線上并相互抵消。這樣可以節省電力回收線路到發電廠。然而，如果3相包含3階諧波，則電流將不會完全加到零，三次諧波將在其他階段內與三次諧波相加。這導致中性線中的振蕩電流，這可能是危險的，因為它被設計以承載最小的電流。為了避免三次諧波加在一起使用三角形連接，電流在三角形中循環，而不是組合到星形連接的中線。

3 諧波抑制策略

采用靜態無功補償器（SVC）和有功功率濾波器（APF）的組合系統。該系統具有功率因數校正、電壓穩定和諧波抑制功能。由三角形連接晶閘管控制電抗器（TCR）和Y型無源濾波器（PPF）組成的SVC主要用于電壓穩定和功率因數校正。APF用于對SVC中的非線性負載和TCR產生的諧波進行濾波，并抑制電網與PPF之間的共振。根據這樣的組合系統的配置和原理，根據實際情況進行組合系統的控制方法分析。將靜態或動態無功補償應用于從二極管或晶閘管轉換器解決供應直流電源的工業電力系統的問題。功率電容和系統電抗之間的共振可以產生由轉換器產生的諧波電流引起的高次諧波電壓。通過使用合適的濾波器，可以使這些諧波電壓和調節系統之間的相互作用最小化。這些濾波器的設計應消除電力系統與負載之間的相互作用，并減少諧波電流。

在用于從AC電源向以單相方式連接的可調速驅動器供電的配電系統中，用于基本上消除系統的電源線中的諧波電流。該器件包括一個完全被動的并聯諧振電路，它具有并聯連接的三個無源電分支，并且在AC源的基頻的三次諧波頻率處具有幾乎無限的阻抗，以防止形成三次諧波頻率，從而把三次諧波電流作為熱量去除或消散。三個無源電分支包括由電容器組成的第一分支，由反應器組成的第二分支和由電阻器組成的第三分支，并聯諧振電路與至少一個電源線電連接。通過使用串聯連接的電感和電容器組的電壓源功率轉換器作為新型有源電力濾波器。電源轉換器被控制以產生經由串聯的電感器和電容器組被轉換成補償電流的補償電壓。補償電流流入供電器以抑制非線性負載產生的諧波電流。將新組合系統與經典SVC進行比較發現，在實驗室的200 kVA原型中可以實現。仿真實驗結果表明，組合配置可有效穩定系統電壓，校正功率因數，抑制諧波電流。

4 總結與展望

在低壓配電系統中，做好諧波分析與處理，對不正常的諧波進行及時處理，采用靜態無功補償器（SVC）和有功功率濾波器（APF）的組合系統可以對其進行抑制與平波處理，效果顯著，可以進行推廣使用。

參考文獻：

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[2]趙祥，袁剛，程東方.智能化低壓配電系統的發展與應用[J].科技創業家，2014（08）.

作者簡介：張志勇（1978-），男，山東高唐人， 大專，助理工程師，車間主任，研究方向：10KV配電運行及低壓配電維護。