配電網諧波的產生和治理

馬廣俊 朱孟宗 王碩偉

摘要：配電網的供電可靠性直接關系到生產安全、企業經濟效益和人們的日常生活，隨著電動機使用變頻器的增加，給配電網埋下了巨大的諧波和電磁污染，甚至造成配電設備和用電設備的損壞。因此，抓好配網的專業管理具有極其重要的意義。變頻調速是20世紀以來，電氣傳動領域劃時代的技術進步。電機合理的采用變頻器驅動有一定的節能效果，變頻器使得電動機控制系統調節方便、維護簡單、利于優化運行，被越來越多的應用在電動機調速系統中。但是由于變頻器、節電器等電子設備的特殊工作方式在給系統節能的同時，卻給電網帶來極大的電力諧波和電磁污染。本文從電力諧波的起因、諧波的危害及諧波的治理等幾個方面進行了較為深刻的闡述。得出了一些具有指導意義的理論成果，以減少諧波對油田電網的污染，保證配電網的安全運行。

關鍵詞：配電網；諧波的產生；危害；諧波治理；安全運行

一、電力諧波的來源

（一）換流裝置產生的諧波，變頻器等整流、調速設備的電源部分采用的是整流濾波原理，基本采用的是二極管整流和電容濾波電路。這種電路在電源的線電壓大于電容器兩端的直流電壓時，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現在電源電壓的振幅值附近，呈不連續的沖擊波形式。它具有很強的高次諧波成分。資料表明，輸入電流中的5次諧波和7次諧波的諧波分量是最大的。

（二）單相全控橋式整流，理想狀態下，交流側電流為連續周期方波，只含有2K±1次諧波電流，不含直流和偶次諧波分量。

（三）三相全控橋式整流，理想的三相橋式整流交流側電流為斷續周期方波，只含有6K±1次諧波電流。由于三相全波整流不接中性線，所以三次倍數的諧波走不通，也就是零序電流走不通。但在等效三相負載的中性點對電源的中性點有較大的三次諧波電壓應特別注意。

（四）換流裝置的特征諧波和非特征諧波

特征諧波是指整流裝置理想情況下產生的諧波。換流裝置交流側為諧波電流源，特征諧波為h=KP±1；換流裝置直流側為諧波電壓源，特征諧波為h=KP。

例如：單相全波，P=2，產生1、3、5、7……次諧波；

三相半波，P=3，產生2、4、6、8……次諧波；

三相全波，P=6，產生5、7、11、13……次諧波。

可見，整流波形波頭脈動數P越大，諧波次數h越高，對應的h次諧波電流值Ih越小。

非特征諧波是指控制角不等，電壓、阻抗不對稱等因素產生次數不定的諧波。

（五）晶閘管換流設備產生的諧波，在配電網中有相當數量的節能控制柜采用了晶閘管設備，由于晶閘管總是在每相半周期內的部分時間內導通，容易使配電網絡電壓出現凹口，波形嚴重失真。

（六）變頻器逆變系統產生的諧波，變頻器的逆變器大多采用PWM技術，當工作于開關模式且作高速切換時，產生大量耦合性噪聲。因此變頻器對系統內的電子、電氣設備來說是一電磁干擾源。

二、諧波和電磁輻射的危害

（一）諧波對電力電容器補償的影響，變頻器供電電源按傅立葉級數可以分解為基波有功電流，基波無功電流，諧波和間諧波電流。基波無功電流占用電網容量；導致網壓波動；產生熱損耗；降低了配電設施運行的可靠性。供電公司對用電單位的功率因數有一定的要求，為此，在變電所采用集中電容補償的方法來提高功率因數。在變頻控制柜集中的地區，用電容器直接進行無功補償，降低基波的無功電流，但是由于電容器對高次諧波呈現阻抗減小。電容器中的諧波電流大副增加，電容器由于超溫和過壓而損壞，致使供電變壓器溫升升高，由于低壓電力補償電容得不到及時維護，基本不能正常工作，以嚴重影響到電網的供電效率。

（二）諧波使用電設備效率降低。諧波使電器元件產生了諧波損耗，降低了輸電、變電及用電設備的效率。諧波和諧波的集膚效應使輸電線等效截面積變小，線路損耗增加；電動機、變壓器都是鐵磁設備，鐵芯中附加高頻渦流損耗；引起負載出力減小，損耗增加。諧波還會使變壓器、電動機產生機械振動，產生噪音，局部過熱，絕緣老化，壽命縮短，以至于損壞。

（三）諧波使電氣儀表計量不準確。在感應電能表繞組、圓盤上產生諧波渦流使損耗增大，減小了電能表的計量。感應式電能表基本上測不到諧波能量。諧波功率也會引起數字式電能表的測量誤差。目前的電壓電流乘積式壓頻脈沖積分表不受諧波地影響，可以用于帶諧波的電力電能的計量。

（四）電磁輻射干擾使經過變頻器輸出導線附近的控制、檢測等弱電信號受到干擾，嚴重時會使系統無法得正常工作，或使控制系統紊亂造成嚴重事故。通常高頻電磁諧波會造成通訊錯誤。

（五）諧波會引起過電壓。諧波的串聯或并聯諧振，使諧波放大甚至產生很高的過電壓。將會造成整個系統諧振過電壓，造成局部電網的災難性事故，這種情況在全國各個配電網中都生過，只是現有電網運行管理人員的技術水平參差不齊，大部分人員無法解釋當時的現象。

三、變頻器的諧波治理方案

（一）配電網抗變頻器電磁干擾的措施。對變頻器增加必要的抗干擾措施，其總原則是抑制和消除干擾源、切斷干擾對系統的耦合通道、降低系統對干擾信號的敏感性。具體措施在工程上可采用隔離、濾波、屏蔽、接地等方法。

（二）隔離。是指從變頻柜上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發生電的聯系。通常是在電源和放大器電路之間的電源線上采用隔離變壓器以免傳導干擾，電源隔離變壓器可應用噪聲隔離變壓器。

（三）濾波。在變頻控制柜中設置濾波器，以抑制干擾信號通過電源線傳導干擾到配電網及電動機。在變頻器輸出側設置輸出濾波器。以減少對配電網的干擾，在變頻節電器輸入側設置輸入濾波器，以免傳導干擾。

（四）屏蔽。屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。通常變頻節電器本身用鐵殼屏蔽，不讓其電磁干擾泄漏。輸出線采用鋼管屏蔽，信號線不盡要短且采用雙芯屏蔽，并與主電路及控制回路完全分離，屏蔽罩必須可靠接地。

（五）接地。是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。

（六）采用電抗器。在變頻器的輸入電路內串入電抗器是抑制較低諧波電流的有效方法。根據接線位置的不同，主要有兩種，一是交流電抗器 串聯在電源與變頻器的輸入側之間。二是直流電抗器 串聯在整流橋和濾波電容器之間。

另外采用無源濾波器濾波和有源濾波器濾波。

（七）移相整流濾波法，是利用變壓器移相實現多相整流。由于整流電路的波頭數越多產生的諧波含量就越少。因此采用變壓器雙二次繞組星三角接線方式形成6相全波整流技術能夠很好地消除諧波和電磁危害。

結論

本文解釋了電網產生諧波過電壓燒毀設備的原因，進一步說明了電網進行諧波治理的緊迫性。本文中提到的變壓器移相整流法原理是諧波治理和抗電磁干擾的的有效手段，具有較強的安全性、穩定性和實用性，能很好地解決了電機變頻器產生的大量諧波問題，為配電網的諧波治理提供了一種可行的治理方案。此方案不僅適用于變頻器，同樣也適用于直流電動機調速系統。

（作者單位：勝利石油管理局有限公司電力管理分公司）