芻議電力諧波對供配電系統的影響和治理策略

朱 巖

（惠生工程（中國）有限公司，北京 100102）

0 引 言

隨著當今時代社會經濟的不斷發展，電力資源在人們的生產生活之中越來越發揮出不可或缺的作用。這樣的情況就加快了供配電系統的建設與發展，而在此過程中，電力諧波問題的解決也變得尤為重要。很多用電裝置在使用過程中都很容易產生諧波，這些諧波的產生對于電力系統的運行效率和電力計算裝置計算的準確性都將造成影響。因此，通過有效的策略來治理電力諧波，這對于供配電系統的運行和電力單位經濟效益的穩定增長都十分關鍵。

1 電力諧波對供配電系統的影響分析

1.1 對變壓器的影響

在電力系統中，變壓器起到核心性作用，但是如果電力系統中有諧波產生，且諧波電流對變壓器造成了影響，造成變壓器絕緣老化、發熱、功耗增加等問題，就會使其工作效率降低，甚至使其停止運行時，整個供電網絡的運行都將受到不利影響，嚴重時甚至會造成供電網絡癱瘓的后果。同時，在電流從電力設備中通過時，各電力設備中都會有諧波產生，且不同設備的諧波頻率會有所不同，這些諧波的影響作用會相互疊加，進而在很大程度上干擾變壓器的穩定運行[1]。如果變壓器的運行不能維持在穩定狀態，電力系統中的電流情況也將會受到不利影響，這些不穩定的電流從變頻器中通過，就會讓變頻器產生的諧波更加嚴重，變壓器也會受到更大的影響。這樣的惡性循環不僅嚴重影響變壓器的工作效率，而且將縮短其使用壽命，直接影響供電企業的經濟效益。

1.2 對電容補償設備的影響

在電力系統中，如果諧波頻率發生變化，帶有電容補償的諧波阻抗也會隨之變化，所以整個系統可以是容性系統，也可以是感性系統。如果系統中的諧波頻率到了某一個數值，且系統中的感抗遠遠超過系統的容抗，在大量的諧波電流作用之下，電容器和電力系統中的其他設備之間就會產生串聯諧振或者并聯諧振，諧波電流也會進一步被放大，容易引起諧波過電流或者是過電壓現象，熔斷電容器中的保護熔管，甚至燒毀電容器。而電容器一旦被燒毀，整個電氣回路中其他設備的安全運行也都將受到嚴重的不利影響。

1.3 對電力電纜的影響

因為集膚效應，當電力系統中的諧波電流從電纜中通過時，電流會集中在導體表面，減少電纜的實際載流面積，增加電纜的電阻，加之諧波電流會導致高頻率電場的產生，會加劇電纜絕緣局部放電的現象。同時，因為電容分布在電力電纜中，也將使電力電纜中的諧波被放大。在這樣的情況下，電力電纜的耗損程度會進一步增加，并隨著溫度的不斷升高而發熱，嚴重影響電力電纜的穩定性，增加事故發生率[2]。

1.4 其他影響

電力諧波屬于電源污染的一種，而電力系統中的數據測量儀器使用的都是正弦波，因此在進行數據測量的過程中，如果電力系統中出現了諧波，會影響到數據測量的精確度，也可能會導致繼電保護裝置以及自動化裝置的誤動作現象。同時，電力諧波也會干擾到通信系統的正常工作，使通信清晰度降低。例如，電視、電腦、醫療儀器和一些數字化電子設備等，在諧波的影響下都可能會出現圖像變形、失真等的情況，數據處理系統也可能會出現錯誤。此外，高次諧波也會對用電設備產生直接的危害，加快其老化的速度，進而導致發電設備和供電設備運行成本的增加，并對電氣線路中的相關繼電保護設備和保護元件造成影響，使其出現誤動作情況[3]。如果電子設備對于電源有著比較高的要求，那么在遇到諧波時，其程序就會出現錯誤，相關數據也會丟失，嚴重時甚至會遭到永久性的損毀。

2 諧波治理實例

2.1 概況分析

在對某化工廠進行改造過程中，發現電力諧波對其電力系統的影響比較大。該工廠設置2 臺S11 型的主變壓器，容量為5 000 kVA，其一次側的額定電壓是35 kV，二次側的額定電壓是10 kV。

根據國家標準GB/T 14549-93《電能質量公用電網諧波》中計算式B1 及C6，對允許注入公共連接點的諧波電流進行計算，并與現場諧波電流的測試數據對比，具體如表1 所示。

表1 諧波測試數據和國標計算數據對比情況

由表1 可知，該公司的兩個配電變壓器在正常運行狀態之下的10 kV 側 5 次、7 次、9 次、11 次、23次和25 次諧波電流都不能與國標相符，電力諧波需要得到進一步治理。

2.2 諧波治理方案

在治理過程中，將一套高壓無功補償裝置并聯在了用戶的進線柜，其容量是4 800 kVar，補償裝置可以根據無功量自動進行三路投切，每一路的濾波通量是1 600 kVar。

2.2.1 補償裝置

在本次的電力諧波治理過程中，應用到的主要濾波補償裝置有真空交流接觸器、10 kV 避雷器、微型綜合保護儀、工作放電裝置、濾波用電容以及電抗器的組合裝置、測量保護電流互感器、控制裝置、磁管式戶內熔斷器。諧波用電容器以及電抗器的組合裝置可以組成一個高通濾波可調電阻形式的諧濾波回路，將金膜介質作為濾波電容器，其場強和穩定性都有著較高的質量，同時將放電電阻裝置設置在其內部。濾波電抗器的主要組成部分包括鐵芯和線圈，可以實現±5%的調幅設置。如果諧波注入其中，當XCn 和XLn相等的狀態下，就會形成一個吸收諧波的回路。

2.2.2 保護裝置和控制

在每個濾波裝置中，回路都是通過單Y 形進行連接，并各自設置了過流保護、過壓保護、零序過電保護以及速斷保護。在10 kV 的電力系統中，每一個濾波裝置的回路都是通過真空交流接觸器來進行控制，在具體的控制過程中，可以根據其實際的負荷情況來實現自動的投入或者退出。

2.3 補償前后的效果分析

2.3.1 現場檢測數據

在本次的現場測量過程中，所得到的數據如下：CT 為 600/5 A；PT 為 100 V。

具體情況如圖1 所示。

圖1 現場具體測量情況

2.3.2 補償前的計算數據

根據現場測量，本次補償之前的計算如下：

2.3.3 電容自動補償之后的效果

在電容得到自動補償之后，其現場的測試情況如圖2 所示。

圖2 電容自動補償之后的現場測試結果

根據測試結果，可以對電容自動補償之后的結果進行計算：

2.3.4 電力諧波治理效果分析

通過治理之前和治理之后的比較分析發現，視在功率的下降幅度是8 400-7 517=960 kVA，下降率達到了10.5%；視在電流的下降幅度是485-430=55 A，下降率達到了11.4%；變壓器和線損的下降幅度是1-2cosφ1/cosφ2，下降率達到了19.2%。因為電流和諧波電流都得到了明顯減小，所以高壓電纜發熱的情況也得到了良好改善，功率因數也達到了國標要求。在本次所研究的系統中應用的是24 脈波的整流裝置，5次和7 次諧波之間可以互相抵消掉，由于整流裝置在觸發角度方面有著一定的誤差存在，所以在10 kV 側依然有少量的諧波，但依然滿足國標的要求。

在本次的諧波治理過程中，主要應用的是5%電抗率的濾波通道，并不會放大5 次以上的諧波，同時該濾波通道的吸收能力可以達到10%左右，圖2 就是本次治理之后的諧波測試結果。

3 供配電系統的電力諧波防治措施分析

3.1 整流裝置脈沖數的增加

因為多次整流所產生的特征諧波次數n和脈沖數p之間有著正比關系，其諧波電流的平方根均值和脈沖數p之間又有著反比關系。所以在進行諧波治理的過程中，如果想要降低整流所產生的諧波電流，則可以將整流裝置中的脈沖數進行適量的增加，這樣就可以讓諧波得到有效的治理。

3.2 變壓器接線方式的合理設置

通過各種變壓器接線方式的混合使用，可以讓5次諧波和7 次諧波之間相互抵消掉。在共用電網的運行過程中，諧波大多來源于變壓器，且和變壓器繞組接線的方式有著直接關系。例如，在10 kV 的配電系統中，變壓器繞組接線的方式通常是Dyn 形式或者是Yyn 形式，在110 kV 和220 kV 電力系統中，變壓器一次側的繞組接線方式通常是星型，二次側的繞組的接線方式通常是三角型[4]。通過這樣的繞組接線方式的不同，就可以讓整個電力系統中的主要諧波電流得到有效削減。

3.3 串聯電抗器的應用

對于沒有電抗器的用戶端電容器，應該通過串聯的方式接入電抗器，以此來起到諧波治理的效果。對于已有電抗器的用戶端電容器，應該將其抗高次諧波能力進一步增強，通過這樣的方式，就可以有效抑制高次諧波對電容器的不利影響。

3.4 供電和電力網接線方式的優化

電力單位可以對電力電網接線的方式加以優化，并對其適當進行切換。這種保護措施應該根據電力網絡的實際結構來實施，進而讓電力系統中的諧波實現合理化的分布。同時，也可以鼓勵用戶多在用電低谷期用電，少在電網負載較高的用電高峰期用電，這樣才可以有效避免電力系統中負載過大而產生諧波，進而有效避免諧波對電力系統的不利影響。

3.5 LC 濾波器的加裝

為了讓電力諧波得到有效治理，可以將LC 濾波器加裝在諧波源附近，使其對諧波進行就近吸收。在工頻的條件下，濾波器也可以為電力系統提供出無功補償，使其功率得到合理改善，進而對高次諧波的產生起到一個有效的抑制作用。

4 結 論

電力諧波會對供配電系統的正常運行帶來很大程度的不利影響。所以，相關單位應該對此加以重視，并通過合理的策略來進行諧波治理。這樣才可以有效保障電力系統的正常運行，提升設備的運行安全和使用壽命，滿足人們的用電需求，促進電力企業經濟效益的提升。