谐波分析及治理在配电网中的应用

谐波分析及治理在配电网中的应用

发布时间：2022-07-27T07:34:13.407Z 来源：《中国电业与能源》2022年第5期3月 作者： 姚建宁，朱庆林，缪祥盖，马成功

[导读] 为解决供电紧张的问题，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，

姚建宁，朱庆林，缪祥盖，马成功

云南能投曲靖发电有限公司，云南曲靖655000

摘要：为解决供电紧张的问题，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。因此提高电源的功率因数和降低谐波成分存在着根本的矛盾。文章分析谐波基本性质和测量

方法，对配网中谐波的来源和危害进行了详细说明，总结和提出了治理谐波的若干方法。

关键词：配电网；谐波 Application of Harmonic Analysis and Management in Distribution Networks Yao Jianning, Miao Xianggai,Zhu Qinglin, Ma Chenggong (Yunnan Energy Investment Qujing Power Generation Co., Ltd., Qujing, Yunnan 655000, China) Abstract: To solve the problem of tight power supply, many new power plants and transmission lines have to be built on the one hand, and existingpower resources have to be used to reduce power losses on the other. Harmonics are an important factor leading to increased power losses and reducedquality of power supply. There is therefore a fundamental contradiction between improving the power factor of the power supply and reducing theharmonic components. The article analyses the basic nature and measurement methods of harmonics, gives a detailed description of the sources andhazards of harmonics in the distribution network, and summarises and proposes a number of methods for managing harmonics. Keywords: distribution network; harmonics

1配电网中的谐波源

1.1发电机造成的谐波

严格意义上来说，电力系统的每一个阶段，包含发电量、输配电、配电设备、用电，都有可能造成谐波，并且绝大多数都在用电阶段

[1-2]。发电机由三相绕阻构成，理论上，发电机的三相绕阻务必彻底对称性，发电机内的变压器铁芯务必彻底匀称，以防造成谐波。但是，因为技术性、自然环境和制作工艺技术的限定，发电机一直有少量的谐波[3]。在输变电体系中有大批量的配电变压器。因为变电器中

变压器铁芯的饱和状态、被磁化曲线图的最优控制特性及其额定值工作中磁密坐落于被磁化曲线图的近饱和状态段等缘故。被磁化电流量

是螺旋状的，包括很多奇次谐波。变压器线圈的对比度越高，其工作中点偏移线性越来越远，造成的谐波电流量越大。比较严重时，三次

谐波电流量可达额定电压的5%。

1.2整流器机器设备发生的谐波

电气设备链接中有很多谐波源。可控硅电子整流器、变频器、打气节能灯具、电器产品等。都是会造成一定量的谐波。可控硅整流器技术性广泛运用于电力机车、充电装置、开关电源电路等诸多方面。它选用移相原理，从电网消化吸收半周期正弦波形，将剩下的半周期

正弦波形交给电网。这类半周期时间正弦波形溶解后可以造成很多的谐波[4]。统计分析说明，整流器机器设备发生的谐波占全部谐波的近

40%，是比较大的谐波源。

1.3变频器出现的谐波

变频原理常见于泵、离心风机等机器设备。变频一般可分为两大类：交－直－交变频器和交－交变频器。在前面一种中，380V、50Hz开关电源经三相平臂可控硅整流器，变成直流工作电压数据信号。过滤后由功率大的结晶电子开关转化成变频沟通交流数据信号。后面一

种立即将固定不动工作频率的交流电流转化成同样相数但工作频率可调节的交流电流。两者都选用相位差控制系统，因此变换后会造成成

分繁杂的谐波。因为变频设备输出功率大，还会继续对电网导致明显的谐波环境污染。充气灯源和电器产品是普遍的谐波源，如荧光灯

管、高压钠灯、金属卤化物灯、金属卤素灯等。他们运用混合气体充放电原理发亮，其伏安特性曲线特性具备显著的线性特点。计算机、

电视、摄录机、调日光灯、控温炉灶、微波炉加热等电器产品。因为其内嵌变压整流器元器件，会对电网造成高次奇次谐波；电扇、全自

动洗衣机、中央空调都带有小功率电机，也会造成一定量的谐波。这类设施尽管输出功率小，但总数多，也是电网谐波源中不可忽视的要

素。

2谐波在配网中的危害及具体事例分析

2.1对变压器的影响

当谐波电流和基波电流一同流经变压器绕组时，由于高频率的谐波会对变压器发生严重饱和，使变压器的激磁电流和谐波电流大增，变压器的铜损和杂散磁通损耗变大，可能会出现变压器噪音变大，变压器达不到额定负荷输出，情况严重的可能会导致变压器出现局部过

热破坏绝缘，从而危害配电室和电网的安全运行[5-6]。

2.2对电容器的影响

由于电容器的容抗与频率成反比，当频率越高时，电容器的容抗越低，因而谐波会更多的通过电容器，从而造成电容器的过载而损坏。另外系统中的高次谐波有可能使电容器产生谐振，产生较高的谐振过电压而损坏电容器，甚至导致电容器漏液、着火及至爆炸，有可

能会影响整个配电室的供电。

2.3对其他电力设备的影响

由于谐波在这些设备上产生明显的集肤效应使得发电机等铁磁设备损耗明显变大，产生过热，绝缘提前老化发电机出力明显不足，过热，噪音大，振动大等；同时电缆产生过热，绝缘提前老化。谐波对电网负担的加重，由于非线性负载通常功率因数较低，造成：无功功

率变大；电流有效值变大；电网的可用容量下降；电网的品质变坏，波形失真，频率改变等。电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工

具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动，保护误动

和拒动的重要因素。

2.4继电保护和自动装置的影响

对于由电压或电流信号启动动作的继电器或启动元件，当基波动作量并未达到整定值时，由于较大的谐波量和基波量叠加后的综合量超过动作值。当电压和电流继电器或元件配合差动电路、零序电路或负序电路，构成差动、零序或负序继电器启动元件时，则对谐波影响

都很敏感。因为这些电路输出的基波量都很小，相应的元件的整定值都很低，所以输出量的谐波含有率有可能很高，谐波量在动作量中的

比重有可能很高[4]。

2.5谐波对高压柜电压互感器影响

某地的高压成套设备，电压互感器是铁芯外露的半封闭结构，正常运行中烧坏一台。后将PT返厂解剖分析并对环氧树脂进行理化试验所得：

（1）击穿点靠近铁芯处偏上部，经查看该处绝缘良好，未发现PT内部有浇注缺陷。一次线圈烧坏，铁芯内部有发黑现象，从现象看有发热迹象。

（2）理化试验数据所得符合E-39D环氧固化体系标准的要求。 （3）生产厂家认为PT的击穿原因可能是系统中含有高次谐波，过电压作用因积累效应造成励磁电流激增，铁芯饱和，两者相互作用形成恶

性循环，严重发热致使PT烧坏。

由于大量非线性负载（UPS、机房空调设备等）的使用，大量谐波注入系统，电压电流畸变明显，谐波污染将造成不必要的能源损耗，缩短设备使用寿命，使系统安全性降低，敏感设备准确度下降，使得保护装置误动作，损毁供电设备及用电设备，还会造成数据传输

发生故障甚至数据丢失，存在安全隐患[7]。因此应对各变压器低压主馈电回路使用有源滤波器对谐波进行治理。

3谐波治理措施的分析与比较

根据技术原理的不同，谐波治理的解决方案有多种，应用有源电力滤波器进行谐波治理，因其动态滤波能力，滤波效果等优势，被越来越广泛地应用，是谐波治理的技术发展方向。下面对不同的谐波治理技术做简要的分析和比较。

3.1传统的谐波治理方式

（1）变大供电容量。这是一种原始的方法，当谐波问题影响到电力系统时，就变大供电系统的容量。例如：变大变压器或发电机容量，以求系统能够忍受谐波带来的种种问题；当谐波问题出现在电缆传输过程中，就变大电缆的横截面，以减少集肤效应的影响。无疑

地，这是一种既昂贵又消极的办法，昂贵就贵在了每变大1KVA的供电能力，就要支付大约1000元～1200元人民币的投资，要变大几百

KVA，其价格就要增加几十万元人民币；消极方面是说这种办法根本没有解决谐波的客观存在，仅仅是把谐波的影响降低到尽可能小的程度，一旦负载容量变大，谐波问题又会再次涌现出来。

（2）双桥或多桥式整流器。工业生产中可控硅整流器是一种常见的变流设备，三相全控桥式整流又是应用普通的设备，然而也是谐波含量较高的设备，在一些有色金属冶炼中，为了减少谐波对电网的影响，往往采用12脉冲整流器，甚至24脉冲整流器，虽然谐波电流得以

治理，但一次性投资仍然很大，并且由于采用的功率电路复杂，设备的可靠性相对降低，对工业生产是有消极作用的。

（3）无源滤波器。这是应用较广泛的谐波治理手段。它是按照希望治理的谐波次数专门量身定造的，采用电感电容的调谐原理，将高次谐波陷落在滤波器中，以减少对电网的注入[8]。但是这种滤波器对于负载谐波频谱发生变化时，就显得软弱无力了。在采用发电机组供

电的场合，这种滤波器的启动电流又很大，呈容性负载，往往使发电机组难以承受；如果是多台滤波器并联使用或补偿的无功功率与负载

的需求不一致，还可能造成供电系统的谐振现象。

（4）串联电抗器。串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频调速器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大，因此其治理谐波的作用受到限制。通常只能使电流失真度（THDI）降低50%左右。

3.2传统的谐波治理方式的特点

传统的谐波治理方式虽然能在一定程度上解决了谐波对电网注入的问题，但普遍存在着效果不理想的情况，主要表现在：

（1）谐波频谱的适应范围较小，大多是针对某一次或某几次谐波进行治理，如果负载是一个宽频谱或频谱发生变化时，就很难获得理想的效果。

（2）适应负载特性的能力较差，如果负载是一个频繁变化的特性，或是负载系统是由众多的不同特性的设备群组成的，则上述这些治理方式均受到局限。

（3）效率低也是上述治理方式的局限性，不论是串联电抗器还是变压器变换或者是低通滤波，这些功率器件本身都存在着阻抗，会产生一定的附加损耗，其结果不是设备方面的效率降低（大约2~3%），就是供电系统的带载能力降低。