谐波对电网质量的影响和治理措施

朱金奇

安阳钢铁股份有限公司（455004）

0 前言

随着工业技术的发展，电力电子技术的大量应用,负载中的大量的非正弦波的电流送入电网，大功率的无功电流冲击着电网，首先造成了供电电网的指标严重地偏离了国标规定的数值。对于要求高质量供电电网的高新技术产业来说，不正常不合格的电网供电质量，造成了企业产品质量下降，影响了生产。其次增加了电网电能的损耗，与建立节约型社会的要求相违背。

电网中产生谐波的谐波源主要有变压器、电弧炉、电气机车、逆变器、可控硅整流器等。其中以可控硅设备产生的谐波为多。可控硅整流器即使在理想状况下运行（即三相交流系统完全对称，直流测平波电抗器的感抗为无穷大，换流电抗等于零），从变流技术方面分析得出∶整流变压器副边绕组流过全方波电流，与之相对应的原边绕组流过梯形波电流，这说明电流波形发生畸变。通过谐波分析可知：对于三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5、7、11……次谐波电流;如果采用12脉冲整流器，也还有11、13、23……次谐波电流。

在实际运行中并不理想，换流电抗不等于零，换相角不等于零，平波电抗器的感抗也不可能为无穷大，输出直流必然会有脉动，三相交流系统也很难完全对称。因而谐波成分会更加复杂，电压与电流波形发生畸变会更严重，此谐波注入电网必将对电气设备造成危害。下面将分析各种典型电力电子负载对电网指标的破坏情况。

1 典型电力电子设备对电网的影响

1.1 晶闸管调速的直流机负载

我们以某轧钢厂为例∶

6 kV电网供电系统中,主要有主轧机整流变压器两台（其中上辊一台、下辊一台）。主轧机1#（上辊）和2#（下辊）整流变压器均为三绕组变压器，拖动两台电动机，在6 kV电网构成24脉波整流。

其参数如下∶主轧机整流变压器（上辊或下辊）变压器容量∶6 300 kVA；变比∶6 kV/0.82 kV；短路容量∶Uk=7%。

负载为两台可逆直流电动机,功率为2×4 000 kW，额定电压860 V，属于冲击性负荷，过载倍数为2.5倍。

轧制过程中，功率因数很低，在0.16至0.7之间，变化范围很大，平均功率因数约为0.4左右；负载的有功功率和无功功率造成变压器的无功功率增大，有功功率损耗加大。上辊最大有功负载约为2×475 kW，无功为 2×2 955 kVar。 下辊最大有功负载约为 2×725 kW，无功为 2×2 685 kVar。此时,两台变压器中由负载有功功率产生的无功功率为168 kVar,有功功率为978 kW。上辊变压器的冲击性无功功率大，造成电网电压波动大。使6 kV电网电压下降了497 V，约为7.9%，变压器二次电压898.6 V下降到779 V，约为14.3%。两台主机的供电变压器对6kV电网供电构成24脉波整流,电网24脉波整流的 5、7、11、13 次谐波均很小，但是 23、25 次谐波在大负载时超标，电压畸变大。

由于轧制电流过大,使得整流变压器过热，需用两台大风机对每台变压器强迫风冷降温。大功率直流换相电源短路,使得变压器二次侧电压陷波严重，对控制系统造成严重的干扰。6kV电网总进线侧轻载时功率因数为0.7，重载时为0.49～0.6。以下是轧机的电压电流波形（电压比为8.19，电流比为60）。

我们将数据进行统计，统计结果见表1。

表1 直流机负载分析

从表1中我们可以看出，晶闸管调速的直流机负载在低压、中压侧各项参数均不符合国家相关标准的技术指标。

另外，电解铜和电解铝负载与直流电机负载的特性类似。

1.2 交交变频电机负载

某中板厂6 kV电网变压器容量为16 MVA，主要负载为5 000 kW冲击性的交-交变频主轧机。轧制过程中，最大有功功率为6 084 kW，最大无功功率为9 018 kVar。最大谐波量如下∶5次为115.8 A，7次为52.8 A，11次为31.2 A，13次为19.2 A。5次为最大、7次次之，均超过国家标准。交-交变频的谐波除了有特征谐波外，还存在大量旁频谐波，电网中谐波电流大，功率因数低，上述负荷的冲击使得6kV供电电网电压波动很大，已达到6%左右，影响了其他负荷的正常运行。

统计数据表，见表2。

表2 统计数据表

1.3 交直交变频电机负载

交直交变频器的原理是3相交流电经过三相桥式整流向电解电容器充电，电解电容器上的直流电经过开关元件逆变成为不同频率的交流电。

交直交变频器的电网电流特点：基波电流的功率因数高为1，但高次谐波数值很高，总功率因数很低＝0.47左右。电网电压电流波形如下∶

类似负载有开关电源、电视机、电脑等负载。

1.4 电弧炉负载

电弧炉炼钢工艺分为熔化期和精炼期，在熔化期对电网的电能质量影响更厉害。熔化期时，炉内装入废钢，三相交流电极插入炉内，电极与废钢之间产生电弧熔化废钢。电弧炉的电流如下∶从电流波形可以看出电弧炉的电能特点,三相电流不平衡，不平衡说明存在负序分量。电流的谐波不大，但是存在2、3次的谐波，其平均值为基波的5%～10%。因为串联了限流电抗器，限制了电炉短路电流，也就使得功率因数不高，电弧炉电极短路时无功功率很大，冲击的无功功率使得电网电压波动，发生电压闪变。电弧炉是大耗电户，对于电网的干扰也大。

1.5 电气化机车负载

电气化机车是不平衡负载,由两个单相27.5 kV电源给机车供电,电气机车是单相直流传动电机拖动，电网电流的特点如同上述的直流电机负载电流特性，电流中含有大量的5、7、11次谐波电流。谐波电流流入电网引起电压畸变，电气化机车的功率因数不高，有大量的无功功率，冲击的无功功率引起电压波动电压闪变。凡是与电气化机车挂在同一电网下的用户，均受到干扰，叫苦不迭。

从110 kV变电站采集的电气化铁路的电流电压波形如图9所示。

2 无功功率和谐波电流浪费了电能

三相电路功率的定义∶

cosφ1为基波功率因数，φ1为基波功率因数角。

其中S代表视在功率，P为基波电流和谐波电流产生的有功，Q无功功率为基波电流产生的无功。

U1为基波电压有效值，I1为基波电流有效值，

U为线电压有效值，I为相电流有效值。

无功功率流入变压器要使得变压器产生有功损耗，损耗的数值为∶

容量。当负载的无功功率很大的时侯，变压器的损耗非常大，同时电网的线路损耗也大。谐波电流消耗有功功率。由此看出，无功补偿和谐波滤波可以节约有功功率，可以节约电能。

3 治理高次谐波的技术措施

3.1 整流变压器用 Y，d（Y/△）或 D，g（△/Y）接线

三相整流变压器采用Y/△接法，硅整流设备的高次谐波电流通过付边△绕组时，其中ε的倍数的高次谐波由于三相相位相同,在△绕组中形成环流，能量损耗在绕组的电阻上。变压器铁心中不会产生三次谐波磁通，原边Y绕组中就不会感应出3的倍数的电势和电流。

如果采用△/Y接法,付边Y绕组中不能流过相位相同的3的倍数的高次谐波电流，因而变压器铁心中出现了3的倍数的谐波磁通，原边△绕组中感应出3的倍数的谐波电势，并在△绕组中形成相位一致的环流，能量就损耗在绕组的电阻上。为此三相整流变压器采用这两种接线，能有效地抑制谐波电流注入电网。

3.2 增加整流相数

整流设备采用12相脉冲整流比相脉冲整流可减少5、7、17......次高次谐波。这是因为整流相数越多，整流后电压和电流和脉动系数越小，高次谐波的含量也就越少。如果采用6相整流时，出现5次谐波电流位基波电流的18.5%,而采用12相整流时，出现5次谐波电流只为基波电流的4.5%。

3.3 采用调谐滤波器

调谐滤波器是具有针对性的，仅对某次或某几次含量大的谐波进行吸收的装置。该装置由R/L/C等元件组成串联谐振电路，安装在整流变压器原边母线上,由于它对谐振的谐波电流呈现很小的阻抗，故能对谐波进行吸收，因而能有效地抑制谐波注入电网。

3.4 采用带移相绕组的整流变压器

采用带移相绕组的整流变压器，适合用于有多台可控硅整流器的情况。带移相绕组的整流变压器，是通过移相使三台整流变压器的相位相互差一个角度,这相当于交流侧电源组成脉动18次的电压波形，从而改善了电源电压波形，客观上也是抑制了高次谐波。

3.5 安装电抗器

在有无功补偿电容器的情况下，安装与电容器串联的电抗器，可组成低通滤波器，可调谐在最低次谐波频率以下，使整个系统失调，以减少高次谐波的影响。

3.6 增加供电网络的短路容量

在设计大容量可控硅设备供电方式时，首先应该选择合理供电电压等级，设法接入大短路容量的电网，或设法加大系统的短路容量（应大于可控硅设备容量的20倍）,则可减少注入电网的谐波电流。

3.7 控制电网谐波电压的含量

加强对电网运行中谐波电压的实时监测与控制，用户注入该电网的高次谐波电流加上该电网原有的高次谐波电流，使得谐波电压的含量不得超过下列标准。

对110KV电网，谐波电压含量不超过1.5%；对35 KV电网，不超过3%；对10KV电网不超过4%；对0.4 KV电网不超过5%。

[1]戴通生.加强用户谐波管理 保证电网电能质量[J].电力需求侧管理,2007(1).

[2]林伟克.电能质量及谐波测控技术与应用[J].电测与仪表,2010(A08).