通信線路中電力諧波干擾與防護(hù)研究

代文亮

（吉林吉大通信設(shè)計(jì)院股份有限公司，吉林 長春 130012）

0 引 言

近年來，隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電力行業(yè)也隨之蓬勃發(fā)展，并取得了不錯(cuò)的成績，受到了人們的廣泛關(guān)注，方便了人們的生活。同時(shí)，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中仍然存在著一定的問題亟待解決，如電力諧波干擾，致使電力系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)能量污染，影響電力線路電流流動(dòng)，其會(huì)對臨近電力線路產(chǎn)生電壓干擾問題，不利于通信線路的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至破壞通信線路。基于此，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對通信線路中電力諧波的研究，采取有效措施來規(guī)避電力諧波干擾，做好防護(hù)工作，從而保障通信線路的正常運(yùn)行，提高通信安全。

1 電力諧波的相關(guān)內(nèi)容

電力系統(tǒng)中的發(fā)電設(shè)備、用電設(shè)備等電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生諧波，這是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場并不是完善的正弦波，電壓波形存在一定的失真。正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。諧波的來源主要有3個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是用電設(shè)備產(chǎn)生諧波；三是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波。電力諧波可以根據(jù)頻率的不同進(jìn)行分類，如2次諧波、3次諧波以及4次諧波等。一般情況下，通信線路中的電力諧波最多為21次。

諧波有著較為嚴(yán)重的危害，其不僅會(huì)降低電能生產(chǎn)效率、傳輸效率，不利于電能的有效利用，還會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備過熱，出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，產(chǎn)生噪聲，容易發(fā)生故障[1]。此外，諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或是串聯(lián)諧振，放大了諧波含量，導(dǎo)致電容器等設(shè)備燒毀，從而引起繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作等，影響電能計(jì)量。

2 通信線路中電力諧波的干擾和危害

通信線路中電力諧波的干擾和危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是電力諧波會(huì)對通信線路的正常運(yùn)行造成一定的干擾，影響通話質(zhì)量，導(dǎo)致通話內(nèi)容不夠清晰。其原因是在通信線路中存在低頻諧波，其產(chǎn)生了鄰近效應(yīng)，干擾了正常電壓，電壓較為混亂，不利于通信線路的正常運(yùn)行，通話信號傳輸有異常。二是電力諧波會(huì)干擾通信設(shè)備，對其造成一定的損壞。其原因是在通信線路中，電力諧波會(huì)導(dǎo)致電壓出現(xiàn)異常，不夠穩(wěn)定，致使部分設(shè)備無法正常運(yùn)行。在某種情況下，設(shè)備需要承受的最大電壓、電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其允許范圍，這就會(huì)損傷設(shè)備，致使通信線路無法穩(wěn)定運(yùn)行[2]。三是通信線路中的電力諧波容易導(dǎo)致通信設(shè)備受損。其原因是在電力諧波的干擾下，即使所增加的電壓沒有超出設(shè)備的可承受范圍，但是在某些頻率諧波下通信線路電壓會(huì)存在不穩(wěn)定性，如若長期處于這種情況，則勢必縮短通信設(shè)備的使用時(shí)間，屬于不正常操作，情況嚴(yán)重者則會(huì)導(dǎo)致大批通信設(shè)備無法使用，需要更換，增加成本。（4）在一些特殊情境下，通信線路中的電力諧波干擾還會(huì)給工作人員帶來一定的安全威脅，這是因?yàn)殡娏χC波會(huì)使電流、電壓不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致通信設(shè)備過熱，一些特殊的通信設(shè)備在過熱后容易漏電等意外安全事故，不利于維護(hù)工作人員的安全，需要加強(qiáng)防護(hù)。

3 現(xiàn)階段通信線路中電力諧波干擾的主要因素

目前，大部分通信線路都由端部設(shè)備和絞線組成，可能是1對絞線也可能是多對絞線，通信線路的簡單模型如圖1所示。在進(jìn)行通信線路設(shè)計(jì)候，需要以地為參考依據(jù)，控制好各方面的電壓。一般情況下，端部阻抗力比較高，但通信線路本身并沒有太高的阻抗力。在通信線路中受電力諧波干擾會(huì)出現(xiàn)噪聲狀況，其形成因素有以下3點(diǎn)。一是受電力系統(tǒng)影響。這種影響與通信線路附近電力系統(tǒng)中音頻分量的實(shí)際情況有關(guān)，也受電力回路中不平衡諧波電流、電壓的相對大小影響。二是與通信線路耦合。這方面主要關(guān)系著通信系統(tǒng)中干擾電流、電壓進(jìn)入的耦合方式。三是通信線路上的影響。通信線路受噪聲干擾影響的程度由通信線路、相關(guān)設(shè)備特性所決定。要注意的是，噪聲由這3個(gè)因素產(chǎn)生，但在實(shí)際運(yùn)用過程中完全消除噪聲干擾只是一種理想狀態(tài)[3]。

圖1 通信線路的簡單模型

4 通信線路中電力諧波的防護(hù)措施

4.1 增設(shè)過濾裝置

為減少通信線路中的電力諧波干擾，應(yīng)當(dāng)增設(shè)過濾諧波裝置，可在一定程度上加強(qiáng)對通信線路的防護(hù)。當(dāng)前使用較多的過濾裝置是交流濾波裝置，該裝置可于交流電作用下過濾諧波，使用原理是吸收諧波源附近的諧波電壓，或是降低連接點(diǎn)的諧波電壓，尤其適用于高頻率電壓，如5次諧波、7次諧波[4]。通過增設(shè)濾波裝置，能夠?qū)νㄐ旁O(shè)備起到有效的保護(hù)作用，避免通信線路發(fā)生異常，為通信線路提供重要的安全保障，而且具有降低諧波污染的作用。

4.2 加裝補(bǔ)償裝置

加裝補(bǔ)償裝置也是通信線路中電力諧波的防護(hù)措施之一，通過動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式來提升線路對諧波的承受能力，以保障通信線路的正常運(yùn)行。目前，使用最多的是動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其不同于交流濾波裝置，主要是檢測通信線路，并對其進(jìn)行電流、頻率無功的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使之能夠承受電力諧波的干擾，有效防護(hù)。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)勢在于其具有較高的效率，自動(dòng)化水平較高，能夠取得較好的應(yīng)用效果，可有效保證通信質(zhì)量[5]。

4.3 應(yīng)用非線性用電設(shè)備

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，部分設(shè)備或是負(fù)荷的非線性特性會(huì)產(chǎn)生電力諧波，為了避免電力諧波對通信線路的影響，應(yīng)當(dāng)有效把控非線性用電設(shè)備的使用情況，做好檢查工作，降低電力諧波干擾。需要注意的是，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況來選擇適宜的非線性用電設(shè)備，不斷完善有關(guān)于電力諧波管理的法律法規(guī)，為通信線路的正常運(yùn)行提供有效防護(hù)[6]。

4.4 隔離電力諧波

為有效防護(hù)通信線路中的電力諧波干擾，可采取隔離電力諧波的方式進(jìn)行處理，這種方式的操作較為簡單，而且比較直接，能夠取得不錯(cuò)的防護(hù)效果。非線性設(shè)備的應(yīng)用與電力諧波產(chǎn)生有著一定的聯(lián)系，就非線性設(shè)備本身而言，其產(chǎn)生的電力諧波并不大，但是所產(chǎn)生的電力諧波在經(jīng)過變壓器后便會(huì)產(chǎn)生較大的干擾性，嚴(yán)重影響通信線路的運(yùn)行安全[7]。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)隔離變壓器產(chǎn)生的電力諧波，以免其干擾通信線路。該方式的不足在于并不能從根本上解決電力諧波的干擾問題，但是防護(hù)效果最直接，而且所需要耗費(fèi)的成本也比較低。

4.5 多種方式結(jié)合應(yīng)用

在通信線路中想要減少電力諧波的干擾，僅依賴于某一種防護(hù)措施遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，雖然各個(gè)方式都能夠起到一定的抗干擾作用，避免電力諧波對通信線路造成較大的影響，但由于各方式的應(yīng)用原理不同，解決電力諧波干擾問題的能力也有所不同，若是將這些方式有效結(jié)合在一起應(yīng)用，則能夠取得更好的抗干擾效果。針對不同頻率的電力諧波，選擇適宜的防護(hù)方式，可對這些防護(hù)方式進(jìn)行主次分析。以某一種防護(hù)方式為主，其余輔助防護(hù)，能夠提升通信線路電力諧波的防護(hù)效率[8]。

5 通信線路電力諧波噪聲的耦合途徑

5.1 回路感應(yīng)

在通信線路的運(yùn)行過程中，如若發(fā)生回路電磁感應(yīng)，那么感應(yīng)電壓將直接作用于金屬通信線形成的回路中，端部會(huì)出現(xiàn)橫向電壓。在架空線路設(shè)計(jì)過程中，如果按照正規(guī)要求來使用換位法，則能夠在使用電纜絞線時(shí)消除線路中的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。一般情況下，回路電磁感應(yīng)并不會(huì)導(dǎo)致通信線路出現(xiàn)過大的噪聲，但是要確保所采用的方式、設(shè)計(jì)都要符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[9]。另外，如果通信線路中存在交叉的情況，或是通信線、電力線之間相隔過近，則會(huì)導(dǎo)致通信線路中回路感應(yīng)產(chǎn)生較大的噪聲。

5.2 縱向電磁感應(yīng)

縱向電磁感應(yīng)示意如圖2所示。一旦在通信線路中出現(xiàn)縱向電磁感應(yīng)，感應(yīng)電動(dòng)勢便會(huì)沿著通信線路方向產(chǎn)生。縱向電磁感應(yīng)產(chǎn)生的原因在于受電力線路中殘余電流磁場影響，磁力線與通信線相連，從而產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動(dòng)勢。縱向電磁感應(yīng)也是導(dǎo)致通信線路出現(xiàn)噪聲的主要原因。在接近架空輸電線和通信線相結(jié)合位置的空間時(shí)，容易引發(fā)的電力諧波干擾來自于平均電流耦合，周圍其他空間部分的干擾源則是大地回路、殘余電流[10]。

圖2 縱向電磁感應(yīng)示意

5.3 縱向靜電感應(yīng)

縱向靜電感應(yīng)一般產(chǎn)生于導(dǎo)線和大地之間，一旦導(dǎo)線、大地間出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢，便會(huì)引發(fā)縱向靜電感應(yīng)。在對縱向靜電感應(yīng)進(jìn)行研究和觀察時(shí)，最簡單的方式便是了解單根電力線與通信線以及單根通信線之間的電容分布情況。另外，通信線路中的終端阻抗相對于電容阻抗來說要更低一些，這能夠在一定程度上促使感應(yīng)電壓下降。通常來說，在一些靠近高電壓輸電線路的長途通信線路中，容易發(fā)生縱向靜電感應(yīng)。

5.4 傳導(dǎo)耦合

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，因不平衡因素的存在，會(huì)導(dǎo)致殘余電流流入中線，多點(diǎn)接地中線系統(tǒng)中部分殘余電流會(huì)在流經(jīng)中線后重新回至變壓器，部分電流會(huì)流經(jīng)大地返回，這部分的殘余電流會(huì)導(dǎo)致接地極附近大地電位升高。影響傳導(dǎo)耦合的干擾因素主要有以下兩點(diǎn)：一是流經(jīng)多點(diǎn)接地中線系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲電流；二是沒有使用鉛包電纜，接地電阻造價(jià)高，通信交換局的接地電阻比較高。

6 結(jié) 論

總而言之，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對通信線路中電力諧波的研究，明確電力諧波對通信線路造成的干擾和危害，了解電力諧波的形成，并對其影響因素進(jìn)行相應(yīng)的分析，以此采取有效的防護(hù)措施降低干擾，尋找通信線路電力諧波的耦合途徑，旨在保障通信線路的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，須科學(xué)設(shè)計(jì)電力線路和通信線路，減少干擾性，以推動(dòng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展，優(yōu)化通信線路設(shè)計(jì)，從而降低電力諧波，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最大化。