安科瑞 劉邁

　　摘要：供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與人們的日常生活有直接聯(lián)系，諧波是影響工業(yè)供配電的重要因素，不僅會影響電壓波，還會影響整個供配電系統(tǒng)，甚至?xí)绊懭松戆踩?。因此，工業(yè)供配電技術(shù)人員應(yīng)了解諧波危害及治理技術(shù)措施?；诖?，文章對工業(yè)供配電的諧波危害及治理技術(shù)措施進(jìn)行研究。首先闡述工業(yè)供配電諧波的產(chǎn)生原因和危害，其次分析工業(yè)供配電諧波檢測方法；最后詳細(xì)分析工業(yè)供配電諧波治理技術(shù)措施，以期為行業(yè)工作人員提供參考。

　　關(guān)鍵詞：工業(yè)供配電；電能質(zhì)量；諧波治理；ANAPF系列有源電力濾波器

　　1、引言

　　發(fā)電源、輸配電系統(tǒng)、用電設(shè)備均能產(chǎn)生諧波，而諧波會造成各種設(shè)備跳閘，甚至?xí)觿≡O(shè)備損耗、縮短設(shè)備壽命。諧波包括高次諧波、零序諧波，均會對發(fā)電源、輸配電系統(tǒng)、用電設(shè)備產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重時會造成火災(zāi)等重大安全事故?，F(xiàn)階段，我國電力技術(shù)和用電設(shè)備飛速發(fā)展，諧波源增多，諧波量增大，導(dǎo)致我國工業(yè)供配電效率下降、供配電可靠性降低，嚴(yán)重影響人們生產(chǎn)與生活。應(yīng)加強對諧波危害及治理技術(shù)措施的研究，以更有效地開展供配電工作。

　　2、工業(yè)供配電諧波的產(chǎn)生原因和危害

　　2.1工業(yè)供配電諧波的產(chǎn)生原因

　　工業(yè)供配電電流中頻率為基波倍數(shù)的成分被稱為諧波，而從廣義角度看，受工頻單一頻率影響，任何與工頻頻率不同的成分均可被稱為諧波。從廣義角度，可將諧波細(xì)分為次諧波、間諧波等。產(chǎn)生諧波的原因是非線性負(fù)載加壓于正弦電壓，基波受影響，電流產(chǎn)生畸變，非線性負(fù)載主要有整流器、變頻器等。

　　2.2工業(yè)供配電諧波的危害

　　2.2.1增加設(shè)備損耗

　　在特定頻率條件下，電容會與其他感性元件形成串聯(lián)條件，如果工業(yè)供配電系統(tǒng)諧振頻率與諧波頻率吻合，會導(dǎo)致過電壓、過電流。變壓器中如果含有高次諧波，會導(dǎo)致高頻渦流，使變壓器容量降低、使用壽命縮短；如果電容器兩端均產(chǎn)生高次諧波且電容器阻抗較小時，會導(dǎo)致電容器內(nèi)電路增大，電容器損耗加劇雎1；電動機內(nèi)產(chǎn)生高次諧波時，會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，加劇電動機損耗，而電動機內(nèi)的負(fù)序諧波會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，使電動機轉(zhuǎn)動，增加損耗；受諧波影響，電源會形成尖峰電壓，導(dǎo)致絕緣損壞，電纜過熱，甚至引起火災(zāi)；電子控制設(shè)備中出現(xiàn)諧波，會使工作人員誤操作問題增多，進(jìn)而影響設(shè)備控制。通常情況下，輸配線路頻率增加，線路感抗頻率增加，在趨膚效應(yīng)影響下，輸配線路中的高次諧波逐漸增大，輸配線路損耗隨之增加，加之零序諧波的影響，輸配線路可能會產(chǎn)生過熱問題，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣介質(zhì)老化，甚至燒毀。

　　2.2.2影響繼電保護和儀器準(zhǔn)確度

　　工業(yè)供配電系統(tǒng)諧波會增加繼電保護發(fā)生概率，導(dǎo)致設(shè)備誤動。如諧波會影響甚至燒毀電壓互感器，使繼電保護不能發(fā)揮作用。此外，諧波會改變工業(yè)供配電各儀器有效值，使測量儀準(zhǔn)確度降低，甚至影響設(shè)備通信HJ。

　　2.2.3導(dǎo)致意外跳閘

　　在工業(yè)供配電中，跳閘是諧波導(dǎo)致的典型故障。如果負(fù)荷未達(dá)到額定負(fù)荷，電路保護裝置就會自動跳閘，保護線路和系統(tǒng)。諧波導(dǎo)致的跳閘受電路保護裝置影響，電路保護裝置的數(shù)量和種類較多，每一種電路保護裝置的工作原理有所不同，技術(shù)人員根據(jù)裝置工作原理找出問題根源。

　　通常情況下，諧波導(dǎo)致跳閘的情況有以下三種：

　　(1)單相整流電路電流波形為脈沖波形，電路短時間內(nèi)輸出同樣功率，導(dǎo)致電流峰值過大，最終導(dǎo)致跳閘；

　　(2)檢測峰值電流影響電路保護裝置，導(dǎo)致電路保護裝置跳閘；

　　(3)電路保護裝置含有負(fù)序電流，且電流中含有負(fù)序諧波時也會發(fā)生跳閘。

　　2.2.4降低電能質(zhì)量

　　基波電壓和諧波電流同頻時產(chǎn)生的功率被稱為有功功率，基波電壓和諧波電流頻率不同時所產(chǎn)生的功率被稱為無功功率。諧波會增加無功功率，在無功功率的影響下，電能質(zhì)量下降，會嚴(yán)重威脅設(shè)備安全與人員生命安全。

　　3、工業(yè)供配電諧波檢測

　　3.1諧波檢測方法

　　目前，行業(yè)內(nèi)主要用參數(shù)化和非參數(shù)化兩種方法檢測諧波。

　　3.1.1參數(shù)化檢測方法

　　參數(shù)化檢測方法是利用回歸滑動平均模型和Prony法(或估計法)分析頻率和分辨率的諧波檢測方法，能較為地分析諧波頻率和分辨率?；貧w滑動平均模型階數(shù)和噪聲問題會影響分析精準(zhǔn)度和分辨率。在工業(yè)供配電中，Prony法使用較多，該方法受噪聲影響較大且使用過程中需進(jìn)行大量計算。因此，技術(shù)人員需應(yīng)用最小二乘意義上的擬合來降低噪聲對諧波檢測工作的影響，為諧波處理工作提供保障。

　　3.1.2非參數(shù)化檢測方法

　　非參數(shù)化檢測方法包括瞬時無功功率理論法、快速傅里葉變換法和小波分析法等。不同方法具備不同特點，瞬時無功功率理論法能滿足快速檢測的需求，具有時效性強的特點；快速傅里葉變換法的計算量較少、計算難度較低，且該方法功能較多，但在諧波檢測精度方面仍有待提高，精度與其他三種方法相比存在差距；一般情況下，需要實時、動態(tài)掌握諧波時會使用小波分析法，但該方法不能為技術(shù)人員尋求小波函數(shù)，且不能用于高頻部分。

　　3.2諧波檢測過程

　　在諧波檢測中，技術(shù)人員會根據(jù)頻域理論設(shè)計諧波處理方案，并根據(jù)時域理論確定最終的諧波處理方法。在檢測過程中，技術(shù)人員會使用模擬諧波處理器，該處理器能根據(jù)頻域理論長時間檢測工業(yè)供配電系統(tǒng)諧波。使用模擬諧波處理器時，技術(shù)人員應(yīng)該利用濾波器過濾清除基波電流，并在過濾后獲得諧波。除此之外，技術(shù)人員還可使用濾波器獲取基波，并用基波減去檢測電流獲得諧波分量。模擬諧波處理器操作簡單易上手、成本低且易于管控，得到廣泛使用。

　　需要注意的是，采用模擬諧波處理器難以獲得穩(wěn)定的相幅頻特性，技術(shù)人員操作時僅能使用一組濾波檢測特定頻率，如果檢測過程中電網(wǎng)產(chǎn)生波動，檢測度難以得到保障。在檢測過程中，技術(shù)人員可綜合分析多種檢測方法的優(yōu)勢與劣勢，綜合使用多種方法，以提高檢測精準(zhǔn)度。

　　4、工業(yè)供配電諧波治理技術(shù)措施

　　工業(yè)供配電中存在沖擊性負(fù)荷和非線性負(fù)荷，會導(dǎo)致大量諧波，進(jìn)而增加設(shè)備損耗、破壞設(shè)備絕緣、對電子設(shè)備控制產(chǎn)生干擾。因此，做好諧波檢測、諧波鑒別，并采取針對性措施治理諧波。諧波治理采取科學(xué)性強、針對性高的治理方案，以避免擴大污染。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，電壓越高，諧波畸變率越大，諧波所帶來的負(fù)面影響越大。因此，應(yīng)根據(jù)電壓正確控制諧波或有效諧波。

　　4.1從負(fù)載端入手減少諧波

　　在空調(diào)、放電燈等非線性負(fù)荷影響下，工業(yè)供配電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生諧波。因此，減少諧波的有效方法是避免使用或減少使用非線性負(fù)荷設(shè)備。如工業(yè)供配電系統(tǒng)中使用變頻器，技術(shù)人員可優(yōu)先選擇多電平換流裝置，該類裝置的輸出波形與正弦波相差較小，會減少諧波，降低諧波量。

　　工業(yè)供配電系統(tǒng)中的非線性用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)有較大影響，在此情況下，技術(shù)人員需要減少或避免非線性用電設(shè)備產(chǎn)生諧波。實際上，可以利用多個變壓器隔離發(fā)電機與上級電網(wǎng)，以減少諧波對電網(wǎng)的影響。通常情況下，使用該方法后，110kV高壓電網(wǎng)中的諧波含量趨近于零n01。

　　4.2改進(jìn)變壓器接線

　　在變壓器接線方面，技術(shù)人員可優(yōu)先使用Y型接法。該方法能消除3倍以上的諧波，達(dá)到諧波的目的。通常情況下，工業(yè)供配電常用10 kV或以上的電源，輸出電壓為0．38kV、0．66kV，在此情況下，技術(shù)人員可使用D，Y接法諧波。

　　4.3提高工業(yè)供配電系統(tǒng)的承載力

　　一般情況下，工業(yè)供配電系統(tǒng)的容量較小，如受非線性負(fù)載影響，會產(chǎn)生諧波，進(jìn)而對負(fù)荷產(chǎn)生較大影響。加大供電容量，增大供電電壓和變壓器容量，系統(tǒng)受非線性負(fù)載的影響會減小，能在一定程度上或減少諧波。需要注意的是，更換電力設(shè)備需增加成本，管理人員需要在考慮經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)容量。

　　4.4使用無源電力濾波器

　　無源電力濾波器主要由電抗器和電容兩部分構(gòu)成。技術(shù)人員可發(fā)揮無源電力濾波器阻抗值較低的特點過濾諧波。無源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡單，在長期使用過程中呈現(xiàn)較高可靠性。同時基于基波頻率，該設(shè)備能提供無功補償。因此，無源電力濾波器被廣泛用于高壓配電系統(tǒng)n"。然而，無源電力濾波器其僅能濾除特定諧波，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)諧波放大概率增加，系統(tǒng)運行方式也受諧波放大影響而改變。

　　此外，技術(shù)人員可使用與負(fù)載串聯(lián)的電抗器諧波，通低頻阻高頻是電抗器一大特征，使用電抗器能有效高次諧波。如果工業(yè)供配電中需高次諧波，應(yīng)適當(dāng)增加電抗器數(shù)量。

　　4.5使用有源濾波器

　　將有源濾波器與非線性用電負(fù)載相連，使用控制裝置動態(tài)監(jiān)測負(fù)載電流，經(jīng)過計算后能確定負(fù)載電流中的諧波。再通過控制逆變器產(chǎn)生諧波電流，諧波電流與系統(tǒng)諧波方向相反、大小相等，能動態(tài)跟蹤補償諧波。

　　現(xiàn)階段，相比其他設(shè)備，有源濾波器是質(zhì)效較高的設(shè)備。一般情況下，有源濾波器被廣泛用于低壓中小功率領(lǐng)域。需要注意的是，有源濾波器體積大、成本較高，管理人員需考慮成本問題。

　　4.6縮短電源與非線性用電設(shè)備的距離

　　縮短電源與非線性用電設(shè)備距離的主要目的是減少系統(tǒng)阻抗，為設(shè)備提供充足電壓。例如，浙江某工業(yè)供配電系統(tǒng)中的主要設(shè)備是電弧爐，技術(shù)人員已針對該設(shè)備采取多種諧波措施，然而，110kV母線的測量結(jié)果顯示，母線上仍有大量諧波。解決該問題的方法是在附近建設(shè)變電所，變電所與設(shè)備的距離未超過4000m，技術(shù)人員選擇35kV專線展開連接工作，可以有效諧波。除此之外，該地區(qū)還含有多個發(fā)電機且都為大容量發(fā)電機，縮短非線性負(fù)荷電氣距離，可以進(jìn)一步削減諧波對電網(wǎng)造成的負(fù)面影響。需要注意的是，該方法投入較大，管理人員應(yīng)從發(fā)展角度考慮是否使用該方法。

　　5、安科瑞諧波治理產(chǎn)品選型

　　5.1功能介紹

　　ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實時的跟蹤和補償。

　　ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統(tǒng)諧波電流，經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量，產(chǎn)生諧波電流指令，通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。

　　5.2產(chǎn)品選型

　　5.3技術(shù)參數(shù)

　　總結(jié)

　　綜上所述，工業(yè)供配電諧波危害較大，會損耗設(shè)備、降低設(shè)備有效性、影響繼電保護、破壞設(shè)備絕緣等，甚至對發(fā)動機、輸配電線路產(chǎn)生較大影響。工業(yè)供配電技術(shù)人員應(yīng)科學(xué)分析諧波產(chǎn)生原因，掌握和綜合應(yīng)用多種諧波檢測方法，以提高檢測度。針對不同諧波可以采取縮短輸電距離、使用變頻器等諧波治理設(shè)備、提高工業(yè)供配電的承受力等技術(shù)措施諧波。

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　　安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理選型手冊.2019.11版