電力諧波對(duì)電力設(shè)備的影響及其應(yīng)對(duì)策略研究

邢大江

（國(guó)家電投集團(tuán)河南電力檢修工程有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453011）

伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各式各樣的非線性用電裝置等在電力系統(tǒng)中的使用十分普遍，給電力系統(tǒng)造成了一定的諧波污染，并且降低了電能供給的質(zhì)量，擾亂了電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。電力諧波含量會(huì)影響到波形的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)造成極大威脅，導(dǎo)致電力設(shè)備發(fā)熱、減少使用周期、引發(fā)電流諧振或者電壓諧振等，進(jìn)而對(duì)全面電力系統(tǒng)的有序運(yùn)行造成不利影響，所以要求對(duì)電力諧波分布狀況產(chǎn)生的原因展開分析，制定可行針對(duì)的應(yīng)對(duì)策略。因此，就電力諧波對(duì)電力設(shè)備的影響及其應(yīng)對(duì)策略開展研究，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電力諧波概述

（1）電力諧波。對(duì)于電力諧波含義的界定，在國(guó)際層面較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是：電力諧波是指一個(gè)周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為工頻基波頻率的整倍數(shù)；在我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，電力諧波是指借助傅里葉級(jí)數(shù)，對(duì)周期性交流量開展分解，獲取頻率在1以上的整數(shù)倍的分量；而從廣義角度而言，不論是何種與交流電網(wǎng)中工頻頻率不同的成分，均可稱為電力諧波。因?yàn)檎壹訅河诜蔷€性負(fù)載，基波電流引發(fā)畸變形成諧波。其中，較為常見的非線性負(fù)載包括有整流器、變頻器、開關(guān)電源、不間斷電源等。

（2）電力諧波形成原因。①發(fā)電系統(tǒng)形成的電力諧波。由于制造工藝技術(shù)的制約，好比鐵心絕對(duì)均勻技術(shù)、發(fā)電機(jī)三相繞組絕對(duì)對(duì)稱技術(shù)等，生成電源基波電勢(shì)期間必然會(huì)一并生成諧波電勢(shì)，該種電勢(shì)受自身性能的制約會(huì)使得電網(wǎng)波形發(fā)生轉(zhuǎn)變，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的諧波幅值相對(duì)小，因而當(dāng)前即便認(rèn)識(shí)到此期間會(huì)形成電力諧波，然而有效的應(yīng)對(duì)策略相對(duì)不足，往往會(huì)直接予以忽略。②電力系統(tǒng)形成的電力諧波。電力變壓器鐵心飽和、非線性磁化曲線等因素均會(huì)致使形成電力諧波，并且電力諧波的實(shí)際大小、影響覆蓋面與該部分因素的實(shí)際情況緊密關(guān)聯(lián)，依托對(duì)電力系統(tǒng)的全面剖析，該種原因形成的電力諧波的規(guī)模相對(duì)小，因而倘若對(duì)其制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略會(huì)造成不必要的人力、物力損耗，因而在治理過程中，通常不將該部分的電力諧波視為重點(diǎn)。③用電設(shè)備形成的電力諧波。經(jīng)由對(duì)電力諧波檢測(cè)可知，非線性用電設(shè)備直接與電網(wǎng)進(jìn)行連接是形成電力諧波的主要原因，非整數(shù)次諧波、整數(shù)次諧波等多元化、影響水平較高的電力諧波，都是非線性用電設(shè)備所造成，因而針對(duì)電力諧波的治理大多集中在用電設(shè)備形成的電力諧波上。

2 電力諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害

（1）電力諧波在電力線路中的危害。①電力諧波不利于電力線路的正常運(yùn)行。電力系統(tǒng)中的電路顯露、電力變壓器大部分均由電磁式繼電器來檢測(cè)，進(jìn)而在故障出現(xiàn)的狀況下，為電力線路及設(shè)備安全提供可靠保障。然而因?yàn)殡姶攀嚼^電器、晶體管繼電器、感應(yīng)式繼電器通常會(huì)受到電力諧波的影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以自身保護(hù)作用往往難以得到有效發(fā)揮。如此一來，電力諧波必然會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的有序運(yùn)行造成極大危害。②電力諧波不利于電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)中電力諧波會(huì)使得電流、電壓波形出現(xiàn)改變。例如，在三相配電線路中，相線中3整倍數(shù)諧波會(huì)在中性線上累積，從而使得中性線電流水平大于相線上的電流；民用電力系統(tǒng)中的中性線會(huì)形成諸多的奇次諧波，且尤為3次諧波含量最多。

（2）電力諧波在電力設(shè)備中的危害。①電力諧波不利于電力變壓器。電力變壓器不僅是諧波源，還是傳遞其它諧波源并產(chǎn)生諧波的重要環(huán)節(jié)。電力諧波會(huì)致使電力變壓器局部放電強(qiáng)度及介質(zhì)損耗增多，所以要縮減電力變壓器的實(shí)際使用容量，即在對(duì)電力變壓器額定容量進(jìn)行選取的過程中，應(yīng)當(dāng)權(quán)衡流出電力系統(tǒng)的諧波含量。同時(shí)，諧波的出現(xiàn)還會(huì)使電力變壓器出現(xiàn)更大的噪音，時(shí)常還會(huì)形成金屬聲。②電力諧波不利于電力電容器。倘若電力電容器組回路的阻抗呈容性時(shí)，并聯(lián)電力電容器的諧波電流會(huì)發(fā)揮放大作用，尤其是倘若系統(tǒng)等值感抗、電力電容器組回路容抗生成諧振前提，形成電流諧振時(shí)，就算是極小的諧波電流同樣會(huì)放大數(shù)倍，進(jìn)一步使得電力電容器過電流，并且加大了諧振電流，同樣會(huì)造成電力電容器損耗的加劇，導(dǎo)致電力電容器過熱或者損壞。③電力諧波不利于電力電纜。在電力諧波次數(shù)為高頻率升高的情況下，再加上伴隨電纜導(dǎo)體截面積的不斷增大，趨膚效應(yīng)會(huì)越來越顯著，進(jìn)一步造成導(dǎo)體交流電阻升高，導(dǎo)致電纜允許通過的電流縮減。

（3）電力諧波在用電設(shè)備中的危害。①電力諧波不利于電動(dòng)機(jī)。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，電力諧波的出現(xiàn)，會(huì)在很大程度上提升電動(dòng)機(jī)的附加損耗，還可能使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)溫度過高的情況。特別是在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，倘若出現(xiàn)負(fù)序諧波，則會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)電動(dòng)機(jī)帶來制動(dòng)影響，使得電動(dòng)機(jī)無法正常出力。②電力諧波不利于電壓開關(guān)設(shè)備。在配電用斷路器的運(yùn)行過程中，通常而言，在諧波電流的影響下，會(huì)使電磁性斷路器出現(xiàn)鐵耗提升而發(fā)熱的情況；會(huì)使得電子型、熱磁型斷路器出現(xiàn)額定電流下降的問題。由此表明，電力諧波的出現(xiàn)極可能導(dǎo)致斷路器出現(xiàn)誤動(dòng)作。

3 電力諧波的應(yīng)對(duì)策略

電力諧波問題儼然轉(zhuǎn)變成為一類電力污染及公害，得到社會(huì)各界的熱點(diǎn)關(guān)注。伴隨節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)呼聲的不斷高漲，采取科學(xué)有效的技術(shù)手段對(duì)電力諧波開展治理變得尤為必要。如何進(jìn)一步促進(jìn)電力設(shè)備的安全有序運(yùn)行，可以將下述策略作為切入點(diǎn)。

（1）合理調(diào)節(jié)非線性用電設(shè)備與電源相互間的電氣距離。合理調(diào)節(jié)兩者的電氣距離是由有意識(shí)地縮減電力系統(tǒng)阻抗，促使供電電壓等級(jí)升高，將電力諧波產(chǎn)生的實(shí)際危害得以有效降低。就好比通過反復(fù)的電力諧波治理后，某供電廠逐一在2個(gè)100kV變電所設(shè)置一回35kV專線母線上的諧波測(cè)量值依舊十分接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，然而供電局在這一供電廠周邊區(qū)域新設(shè)立220kV變電所，憑借較大容量的同步發(fā)電機(jī)的作用，直接通過5回35kV專線供電，基于電氣距離相較之前的顯著降低，使電力設(shè)備所受電力諧波的危害得以有效減少，因而可起到治理電力諧波的作用。值得一提的是，這種方法對(duì)人力、物力投入及電力規(guī)劃的協(xié)調(diào)適用性提出了較為嚴(yán)苛的要求。

（2）抑制電容器電壓。倘若在電力系統(tǒng)中，選取選相斷路器對(duì)電力電容器予以投切，可有效消除投切電容器期間形成的瞬態(tài)電壓，進(jìn)一步緩解電力諧波的出現(xiàn)。如果電力諧波與電力電容器一同存在，電容器則會(huì)使得諧波電流更加強(qiáng)勁，進(jìn)而對(duì)電力系統(tǒng)造成負(fù)面影響。對(duì)此可以選擇使用濾波電抗器來減少諧波頻率，進(jìn)一步達(dá)到縮減諧波電流的目的。

（3）調(diào)節(jié)電力諧波隔距。眾多實(shí)踐得出，電力系統(tǒng)中形成的電力諧波不僅會(huì)對(duì)本級(jí)電力系統(tǒng)造成威脅，在電力變壓器處理后，還會(huì)對(duì)上級(jí)甚至若干級(jí)電力系統(tǒng)造成影響，因而在治理期間，務(wù)必要對(duì)其影響程度及影響范圍開展治理，秉承該種思路，研究人員展開了反復(fù)的探索研究，如在對(duì)三相整流變壓器開展接線的過程中，選取YO/Y、Y/△、YO/△的應(yīng)對(duì)策略，對(duì)3次及3的倍數(shù)次諧波均可收獲可靠的治理成效，使電力諧波在全面電力系統(tǒng)中的影響程度及影響范圍得到盡可能縮減。

（4）設(shè)置濾波器。濾波器包括有源和無源濾波器。其中有源濾波器是一類新型用以實(shí)時(shí)抑制電力諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置，匯集有高速計(jì)算機(jī)、電力電子自動(dòng)調(diào)節(jié)等技術(shù)，可憑借電流互感裝置檢測(cè)到的負(fù)荷電流諧波含量，經(jīng)由對(duì)應(yīng)的處理，借助逆變器，形成與系統(tǒng)各次諧波大小一致、相位相反的諧波電流，傳輸至電力系統(tǒng)中，對(duì)電力諧波開展消除或中和。無源濾波器通常利用電路的諧振原理來達(dá)到消除諧波的目的，其中涵蓋了電阻、電抗器等結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用過程中能夠與諧波源進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)抑制電力諧波、補(bǔ)償無功的效果。無源濾波裝置原理簡(jiǎn)單、投入成本小、后期使用與維護(hù)方便，對(duì)于吸收高次諧波可發(fā)揮尤為明顯的成效。相較于無源濾波器，有源濾波器具備以下優(yōu)勢(shì)：①結(jié)合電力系統(tǒng)中的電力諧波，開展自動(dòng)控制，無需對(duì)負(fù)荷諧波次數(shù)予以考慮；②不會(huì)出現(xiàn)過載危險(xiǎn)；③與電源設(shè)備具備可靠的兼容性；④可與電氣網(wǎng)絡(luò)任意位置開展了解；⑤可與相同電力系統(tǒng)中并聯(lián)多個(gè)，提升電力諧波治理的質(zhì)量及效率；⑥有效彌補(bǔ)以往電力諧波抑制劑無功補(bǔ)償手段中的弊端，達(dá)成實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償。在濾波器實(shí)際設(shè)置中，通常為了獲取理想的濾波成效，會(huì)對(duì)有源與無源濾波器開展聯(lián)合設(shè)置，由此可使它們各自的優(yōu)勢(shì)得到全面發(fā)揮，促進(jìn)收獲最佳的濾波成效。

4 結(jié)語(yǔ)

在電力系統(tǒng)中，電力諧波必然存在，其產(chǎn)生的負(fù)面影響并非一時(shí)形成，而是日月累計(jì)的。在影響初期并不突出，但隨著時(shí)間的推移而累積，電力諧波的危害會(huì)逐步顯現(xiàn)，導(dǎo)致不可估量的后果。伴隨節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)呼聲的不斷高漲，采取科學(xué)有效的技術(shù)手段治理電力諧波變得尤為必要。鑒于此，電力企業(yè)相關(guān)人員務(wù)必要不斷鉆研研究、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提高對(duì)電力諧波內(nèi)涵及其成因的有效認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化對(duì)電力諧波危害的全面分析，結(jié)合電力諧波的實(shí)際情況，通過“合理調(diào)節(jié)非線性用電設(shè)備與電源相互間的電氣距離”、“抑制電容器電壓”、“調(diào)節(jié)電力諧波隔距”、“設(shè)置濾波器”等，積極促進(jìn)電力系統(tǒng)的有序健康發(fā)展。

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