消除谐波电流与节电的关系

文／航天科工集团二院706所 杨继深

1 节电潜能的分析方法

节电是目前最热门的话题。随着国家节能降耗国策推进的深入，一些直接的节电措施已经广泛实施，人们开始关注更深层次的节电潜能。特别是在能源价格不断升高的环境下，企业迫切寻找节电的突破口。谐波治理就往往成为一个目标。

谐波治理的初衷是提高电能质量，保证配电系统和用电负荷的正常运行。但是由于人们过度关注节电的问题，在讨论谐波治理项目时，往往偏离主题，提出谐波治理项目实施后，能够节省多少电能的问题。加上谐波治理设备厂家为了销售产品，故意混淆电能质量与节电的概念，夸大谐波治理在节电方面的作用，使很多企业在考虑谐波治理时，单纯关心节电效果。

本文讨论谐波治理与节电的关系，希望能够指导企业真正从谐波治理中获得效益。本节提供的分析思路不仅适合于谐波治理的节电分析，也适合于一般的节电项目效益分析。

1.1 节电的最大潜能

在论证任何节电项目时，都要首先研究节电的潜能在那里，这种潜能有多大。如果不能搞清楚这种潜能的存在和大小，就不能开展节电项目的设计。

节电有两个途径，一个是减少不必要的电力做功，另一个是提高电力做功的效率。随手关灯就是我们最熟悉的一种节电方法，这就是通过减少电力做功。

提高电力做功的效率就是降低电力做功过程中造成的损耗。节能灯就是最典型的一种提高电力效率的方法。过去的白炽灯在发出光能的同时，产生了很大的热能，而热能并不是我们所需要的。节能灯产生很少的热能，而能够将大部分电力转换成光能，因此具有更高的效率。

无论是通过哪种途径节电，都是通过减少电能的浪费来达到节电的目的，也就是，只有存在被浪费的部分，才能够有节省的空间。理解这个概念很重要，这帮助我们识别和挖掘存在的节电潜能，识破一些不符合实际的商业宣传。

在进行节电项目的论证时，首先分析哪些电能被浪费掉了；这部分电能占总消耗电能的比例（一般用%表示），这部分电能的费用就是节电项目可能获得的最大收益。例如，如果企业由于功率过低，每个月交了1万元的功率因数罚款，那么，通过进行无功补偿，提高功率因数，达到不交罚款的程度，就能够节省1万元的费用。

节电的最大值不会超过浪费的电能。因此，一些公司不负责任地宣称，使用他们的产品节电X%，是没有根据的。记住，一定要分析清楚目前的浪费情况，然后再研究如何减少浪费。

1.2 电费的构成

虽然国家推进节能降耗的目的是为了保护环境，但是企业实施节电措施的直接动力是降低电费支出。因此，可以将节电的概念缩小到节省电费支出这个范围。任何手段，对于整个电力系统虽然有节电效果，但是如果不能节省电费支出，在本文的范围内就不能算是节电。

要讨论安装了某种设备是否可以节省电费，首先需要了解电力公司是如何收取电费的。电力公司向企业收交的电费主要包括三个部分:基本电费:按照变压器的数量和功率收取，变压器的功率越大，基本电费越高；有功电费:按照电度表的读数收取，读数越大，费用越高；无功电费:收取方法不定，普遍采用的是收取功率因数调整费，功率因数低于0.9时收取，有一定的计算方法。

图1所示的是一个企业的电费支出明细。从表中可以看出，虽然电度表上读数的费用是每度电0.57元，但是实际的电费核算为每度1.48元。要节省电费支出，就要从表中所示的每项入手，研究可行性。目前人们最常用的方法是功率补偿，降低功率因数调整费用。在图1中，如果通过因数补偿，达到电力公司的要求，省掉功率因数调整费，就节电了37.52%（6878元）。但是需要注意的是，目前电力公司仅关注相移功率因数，而不关注真功率因数。相移功率因数就是由于电压、电流之间存在相位差（F）而导致的功率因数，也就是我们常说的COSF。实际上，谐波电流也会降低功率因数。这两部分功率因数都考虑的综合结果就是真功率因数。由于目前电力公司收取的功率因数罚款仅是相移功率因数部分的罚款，因此治理谐波而提高真功率因数是收不到功率因数调整费减少而获得的节电效益的。

图1 某企业的电费支出明细

1.3 谐波电流造成的电能浪费

谐波电流造成的电能浪费主要是线路的热损耗，这部分热损耗体现在电度表的有功功率中，如果能够降低谐波电流在线路中的损耗，就能够减少电度表的读数，也就达到了节电的目的。

谐波电流在线路上造成的额外热损耗包括:变压器的额外损耗，包括铁心的损耗和绕组导体的损耗；线路的额外损耗，主要是线路电阻的热损耗；根据有关研究，谐波电流使变压器的损耗增加1%左右，如图2所示。线路的损耗是本文分析的重点，在以下各节进行分析。另外，谐波电流还会造成间接的浪费，这就是由于变压器的损耗增加，容量不够，需要更换容量更大的变压器，或者增加变压器的数量，增加了基本电费支出。

图2 谐波电流增加变压器的损耗（from Eaton Corpotation）

2 谐波电流在线路上的损耗

2.1 三相三线系统

线路的损耗取决于谐波电流的含量。典型的非线性负荷，例如变频器，会产生5、7、11、13等多次谐波分量，为了讨论方便，我们仅将这些谐波分量用一个谐波成份Ih表示，这不会对讨论结果产生大的影响。分析的电路模型如图3所示，为一个三相三线系统，每根相线的电阻为R。

图3 三相三线系统的电路模型

由于单根线路的电阻为R，因此电流回路的电阻为2R。

设，谐波电流的有效值为Ih，基波电流的有效值为If，根据电流有效值的计算方法，总电流有效值IT 为:

有谐波电流时，单个回路的线路损耗P0为:

三相线路的损耗P1为:

线路的电阻越大，谐波电流的损耗越大，谐波电流越大，线路的损耗越大。

下面研究谐波电流损耗在系统总有功功率中的比例。

式中，I是基波电流，U系统的线电压。

将（6）、（7）代入（4），并设THID = Ih/I，得到谐波电流的损耗为:

现代工业系统中，由于大量应用变频器等非线性设备，谐波畸变率较大，THID的典型值达到60%。则谐波电流的损耗为:

谐波电流的损耗在总功率中的比例为:

计算不同线路损耗对应的损耗率，如表1所示。

2.2 三相四线系统

图4 三相四线系统中的谐波损耗

三相四线（或者三相五线）系统中，负荷大部分是单相整流电路，他们所产生的谐波电流以三次谐波电流为主，三次谐波电流的畸变率往往会达到80%以上。较高的谐波电流畸变率决定了谐波电流的损耗也会更大。更重要的是，三次谐波电流在中性线（零线）上是叠加的，最大能够达到相线电流的1.7倍。而基波电流在中性线上是相互抵消的。这决定三次谐波电流造成了严重的浪费。我们用图4所示的电路模型来进行分析。分析中，忽略变压器的损耗和单相负载部分的线路损耗，仅考虑公共线路的损耗。也就是图4中的P1和P2。

在分析中，假设谐波电流只有3次谐波电流，忽略其他谐波电流。这样做有两个理由，第一，3次谐波电流最大，第二，3次谐波电流具有特殊性，它是零序的电流，在中性线上叠加。

单根线路的电阻为R，3次谐波电流的有效值为Ih，基波电流的有效值为If，根据电流有效值的计算方法，相线上的总电流有效值IT 为:

单根相线线路上的损耗P0为:

3根相线导体的总损耗P1为:

因为基波电流在中性线上抵消，而3次谐波电流在零线上叠加，所以中性线上的损耗P2为:

总的线路损耗为:

谐波电流导致的额外损耗Ph就是12Ih2 R:

线路的电阻越大，谐波电流的损耗越大，谐波电流越大，线路的损耗越大。下面研究谐波电流损耗在系统总有功功率中的比例。

式中，I是基波电流，U系统的线电压。

设:△U=XU，X是线路上的电压降占额定电压的百分比，并将（14）代入，则有:△U=X P/1.73I （16）

将（15）、（16）代入（13），并设THID=Ih/I，得到谐波电流的损耗为:

由于大量应用信息设备、节能灯、LED发光设备等，谐波畸变率较大，THID的典型值达到80%。则谐波电流的损耗为:

谐波电流的损耗在总功率中的比例为:

计算不同线路损耗对应的损耗率，如表2所示。

3 谐波治理的节电效果

3.1 谐波治理节电的最大值

上节分析了谐波电流造成的电能浪费。根据“只有被浪费掉的电能才能够被节省”的基本概念，我们通过谐波治理只能将谐波电流造成损耗的那部分节省。所以表1和表2就给出了通过谐波治理能够获得节电效果的最大值。任何谐波治理措施都不可能将谐波完全消除，因此，实际的节电效果不会超过表1和表2所示的数值。

从表1和表2可知，三相四线系统中，通过治理获得的节电效果更加明显。这是主要是因为三相四线制系统中，三次谐波电流在中性线上叠加，而基波电流在中性线上抵消，导致了谐波电流的损耗在总线路损耗中占的比例较大。

由于表1和表2仅是线路的损耗，没有考虑变压器的谐波电流损耗。如果考虑变压器的损耗，谐波治理的收益还能够增加1%以下。

3.2 谐波治理的实际节电效果

以上的节电最大值是基于消除线路上的谐波电流损耗。实际的谐波治理方案并不能达到这种效果。目前的谐波治理方法主要采用有源滤波器和陷波电路型的无源滤波器。这些滤波器并联安装在线路上，如图5所示。这些滤波器能够保证接入点A的上游谐波电流达到预定值，而A的下游的谐波电流没有改善。实际上，由于滤波器接入后，系统的阻抗降低，A的下游的谐波电流可能还会增加。目前大部分企业进行谐波治理都是为了满足电网公司对于接入点（PCC）的谐波指标要求，因此，都会把谐波滤波装置安装在配电系统的最上端，也就是主变压器的下端。这时，企业内部的谐波电流不会有任何改善，甚至会增加，因此也就无法获得线路损耗降低的收益。

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要通过谐波治理获得节电效果，必须减小谐波电流在线路上的损耗。最理想的方法就是在谐波源负载处进行谐波治理。也就是在每个谐波源负荷的电源入线处安装一台谐波滤波器。实际上，在每个谐波源负荷处安装谐波滤波器，不仅能够获得较好的节电效果，而且能够保证企业内部电网的质量，是最理想的谐波治理方案。但这往往会增加谐波治理的成本。为了在谐波治理效果与成本之间获得平衡，可以采用综合治理的方案。也就是，对功率较大的非线性负荷进行就地单独治理，对较集中的非线性负荷，采用分组治理，对于分散的小功率非线性负荷，采用集中治理（也就是目前最常见的）。

3.3 三相四线系统的节电优势

从表2可知，三相四线系统中，谐波电流造成的线路损耗远高于在三相三线系统中。这意味着三相四线系统中，治理谐波具有具有更大的节电潜能。如果能够找到一种较低成本的，消除整个配电系统线路上的谐波电流的方法，具有重要的意义。

中国航天科工集团706所开发NBF（Neutral Blocking Filter）零线谐波电流阻断器为实现这个目的提供了可能。零线谐波电流阻断器是一个RLC网络，他在150Hz处具有很高的阻抗，而对50Hz的基波频率阻抗很低（一般小于0.05W）。将它串联在中性线上，就能够阻挡三次谐波电流，如图6所示。由于中性线与相线共同构成一个电流回路，因此，当中性线上的谐波电流被阻断后，相线上也就没有谐波电流了。

图5 典型的谐波治理电气原理图

图6 NBF在线路中的连接方法

从图6可知，NBF消除谐波的效果与普通的有源滤波器或者无源滤波器不同。NBF是能够将安装位置下游线路上的谐波电流消除，当然，下游没有谐波电流，上游也就没有了谐波。因此，如果将NBF安装在变压器下端，就能够消除整个配电系统线路上的谐波电流。NBF的实际效果如图7所示，可知，中性线电流从38A降低到4A。

NBF在消除中性线电流方面效果十分显著。三次谐波电流导致中性线上的电流过大，不仅消耗额外的电能，而且还会造成火灾的隐患，在工程中必须十分重视。

长春会展大饭店上安装了一块259平方米的显示屏（图8），由两个配电柜供电。每台配电柜的相线电流为250A，中性线电流为450A。在配电柜的中性线上安装了NBF后，相线电流降低为242A，中型线电流降低为35A。由于条件所限，没有测量具体的节电数据，但是可以预期具有明显的节电效果。

4 总结

企业关心的节电效果是节省电费支出。电费支出主要有三部分构成，有功电费、功率因数调整费、基本电费。治理谐波电流减小了线路的热损耗，因此是减小了有功电费支出。并非任何谐波治理方法都能够获得预期的节电效果，只有能够消除配电线路上的谐波电流的方法才能够获得节电效果。传统的在变压器下端母线上安装有源滤波器或者无源滤波器的方法不能获得明显的节电效果。

在三相四线系统中采用NBF是理想的三次谐波治理方案，根据配电系统的不同，能够获得5～10%的节电效果。

图7 NBF零线谐波电流阻断器的效果

图8 NBF应用实例