浅析影响电能质量的原因及治理措施

2015-04-17张辉钱怡

机电信息 2015年12期

关键词：谐振电能谐波

张辉钱怡

（1.国网河南省电力公司技能培训中心，河南南阳473009；2.河南南阳供电公司，河南南阳473000）

0 引言

电能质量不合格主要是指导致电力用户设备故障或不能正常运行的电压、电流幅值或频率偏差，它是电力系统运行状态的具体表现。电能质量是现代电力系统不可或缺的考核指标，其关系到电网能否安全运行，是用户正常用电的重要保证。

1 影响电能质量的因素

1.1 谐波分量

1.1.1 谐波分量产生的原因

影响电能质量的主要因素是系统的谐波电流。谐波电流主要为终端用户负荷引起，大部分情况下，用电设备的非线性是谐波电流产生的主要原因。比如电弧炉，负载周期为2～8h，0.5～1h为熔化阶段，此阶段的特点是在电极和固态原料之间形成极不稳定的电弧，它呈现不规则波动，三相电流不平衡而且数值较大，具有冲击性，一般包含的谐波为2、3、4、5等连续性低次谐波。

电力系统中谐波源主要分为3种类型：（1）系统中的用电设备。包括电弧炉、电石炉等非线性负荷，系统中的调压装置，可控硅整流装置和变频装置等，这类负荷工作时都会产生大量谐波。（2）输变电设备。输变电设备主要指电力变压器，大容量变压器一般工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，当变压器铁芯接近饱和时，磁化曲线的非线性会使磁化电流呈尖顶波形，从而产生大量谐波。（3）分布式发电设备。风电、光伏等新能源发电设备均通过电力电子设备进行并网，将产生谐波，造成污染。

1.1.2 谐波分量的危害

谐波分量的危害是多方面的，主要表现在以下几个方面：（1）谐波分量使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，使系统的损耗增加。（2）谐波会引起电网中局部的并联谐振或串联谐振，发生谐振时，谐波分量瞬间放大数倍乃至数十倍。同时大量的3次谐波流过中性线会使线路过热，甚至发生火灾，严重影响电网的运行安全。（3）谐波分量影响着系统中各种电气设备的正常工作，例如使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；谐波还会使电机产生机械振动、噪声和过电压，不但会造成电机局部严重过热，而且会增加电机的附加损耗。（4）谐波不但会导致系统中的继电保护和自动装置误动作，而且还会使二次测量仪表计量不准确。（5）谐波分量会对附近的通信系统产生信号干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致通信数据丢失，系统无法正常工作。（6）谐波会造成设备材料温度升高，温度升高又会导致额外的损耗。试验证明，温度每升高1℃，电机损耗增加4%。（7）谐波直接影响电容器安全稳定运行，为防止并联电容器补偿装置的谐振回路与系统发生并联谐振，在采用并联电容器进行补偿时，应进行校核计算。

1.1.3 谐波分量的治理

对谐波的治理要从用户和电力公司两方面考虑，对用户来说其责任是控制注入电网的谐波电流。根据《供电监管办法、电力系统谐波监督管理条例》，接入新建非线性用户必须进行电能质量评估并提出配套的谐波和负序治理方案，坚持国家电能质量标准，按“谁污染、谁治理”的原则，对所制定的方案做到与工程同时设计、同时施工、同时投运。对电力公司来说其责任是在用户注入电网的谐波电流合格的前提下，控制线路的阻抗水平。

1.2 间谐波

间谐波是指对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到频率不等于基波频率整数倍的分量。间谐波电压含有率：频率＜100Hz的占0.16%～0.2%，频率在100～800Hz之间的占0.4%～0.5%。其也严重影响着电能质量。

1.2.1 间谐波产生的原因

间谐波的来源主要有以下3个方面：（1）变流装置：由于负荷三相不对称或触发角误差，变流装置会在运行过程中产生非特征谐波频谱。（2）交流电弧炉：典型的间谐波发生源，频谱属于连续频谱。实际上，一般的冲击性负荷均产生间谐波。（3）通断控制的电气设备：对工作电压需要进行通断控制或调整的设备，在工作中均会产生间谐波，例如电烤箱、熔炉、电焊机、通断控制的调压器等。

1.2.2 间谐波的危害

（1）产生闪变，导致屏闪烁。（2）引起通讯干扰、过零点检测误差，影响脉冲接收器正常工作。（3）引起感应线圈噪声，导致电动机附加力矩。

1.3 电压不平衡

电压不平衡主要是指三相电压在幅值上可能大小不等，或者相位差不是标准的120°，或两种情况都有。不平衡情况用电压、电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比来表示，这个百分比也称为不平衡度，一般规定系统中公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。

1.3.1 三相电压不平衡产生的原因

（1）事故引发的不平衡：包括单相接地故障、断线故障、母线电压互感器熔丝熔断等。（2）正常性的三相电压不平衡：主要是指单相大容量以及冲击性、非线性负荷（如电弧炉、工频感应炉、电力机车、单相电焊机）的应用。

1.3.2 三相电压不平衡的危害

（1）三相四线制接线方式下，发生三相电压不平衡将增大线路的损耗。（2）三相不平衡会使变压器处于不对称运行状态，增加变压器损耗，甚至使其烧毁。（3）三相电压不平衡会诱导电动机中逆扭矩增加，从而使电动机温度上升，效率下降，能耗增加，发生振动。

1.4 电压闪变或波动

灯具光通量不稳定，造成的视感称为闪变。闪变不仅与电压波动的大小有关，而且与波动的频率、波形、照明灯具的性能以及人的视感甚至人脑对灯光光通量变化的记忆效应等因素有关。而电压波动是指电压方均根值（有效值）一系列的变动或连续的改变。产生电压闪变和波动的主要原因是电弧炉、轧机等大功率且快速波动性负荷的应用。其危害是电压波动会影响工业生产、居民生活，而闪变会引发视觉疲劳、偏头痛，甚至导致错觉等。

1.5 电压暂降或下跌

电压暂降或下跌是指对用户供电的电压有效值在短时间内突然下降，然后又回升恢复的现象，在电网中这种现象的持续时间大多为0.5～1.5s。引起电压暂降或下跌的主要原因一般是电网、变电设施故障或负荷突然出现大的变化。在某些情况下，电压会出现2次或更多的连续跌落或中断。据统计，电压暂降和短时间中断造成的无序停电和恢复损失已经成为影响工业发达国家电能质量的第一问题。

2 治理措施

2.1 加强电能质量监测

网络化、标准化、信息化和智能化已成为电能质量监测的主要发展趋势，必须加快电能质量监测终端数据规约和通信协议的统一，建设电能质量监测网。

2.2 对非线性用户开展电能质量测试、评估工作

对非线性用户开展电能质量测试、评估工作，通过对新建污染源电能质量问题的掌控，为实验室相关研究工作的开展提供重要的实践基础。

2.3 积极开展电能质量治理工作

电能质量的治理方法主要是滤波及无功补偿，包括采用无源滤波器和有源滤波器。

无源滤波器是通过提供谐波的低阻抗支路进行滤波，其存在的问题是：（1）一种参数只能针对特定次数谐波进行补偿，并且在一定条件下会与某次谐波产生谐振而使谐波放大，引起其他事故；（2）响应速度慢，无法跟踪动态谐波，进行动态补偿；（3）只能补偿固定的无功；（4）当系统阻抗比较小时，其补偿效果很难满足要求；（5）在改变系统阻抗时，可能会导致系统发生谐振；（6）电容参数容易改变，稳定性差，可能导致失谐。

有源滤波器：发出相位相反的谐波，通过抵消实现滤波，这是将来无功补偿的方向。