探讨无功功率和谐波对电网的影响及解决方法

石伟民　杨航立　向楠

摘 要：本文对无功补偿和谐波治理问题进行的探讨和研究，有力的说明无功补偿以及提高功率因数对广大供电系统稳定和效益的重要性。

关键词：电力系统；谐波治理；功率因数

1 无功功率和谐波对电网的影响

1.1 无功功率对电力系统的影响

在电力系统中应保持无功平衡，否则，无功功率将对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在：①降低发电机有功功率的输出。②降低輸、变电设备的供电能力。③造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。④造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分的发挥。⑤引起电压崩溃，系统解列，造成大面积停电事故。⑥无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。⑦使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

1.2 谐波的产生和危害

1.2.1 配网中的谐波的产生和产生谐波的类型

1.2.1.1 谐波的产生及产生原因

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。

在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数。近年来，电力系统谐波问题日益严重，主要原因如下：

①电力电子设备及其新技术的大量采用，如换流器等大容量电力晶闸管的设备的非线性负荷的大量增加，以及各种家用电器的普遍使用，从电网的各个供电点，向系统注入大量的谐波。

②为了节省原材料，铁心设备的工作点更进入饱和区，引起谐波的增加。

③电弧炉用户的增多及其容量增大。可见，由于非线性用户的不断增加和容量增大，在电力系统中汇合成为日益升高的谐波水平，成为相当严重的问题。

1.2.2 谐波在配网中的危害

用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：

①谐波使公用电网中的

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，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

②谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

③谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（①和②的危害大大增加，甚至引起严重事故。

④谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

⑤谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

2 无功补偿的常见措施

2.1 无功补偿原则

当电网需要增设无功补偿设备确定后，即应按照“全面规划，合理布局，分级补偿，就地平衡”的原则，进行合理的配置，以便取得最大的综合补偿效益。国家《电力系统电压和无功电力技术导则》规定，无功补偿与电压调节应以下列原则进行。

①总体平衡与局部平衡相结合。既要满足全区（地区或县）的无功功率平衡，还要满足分区（供电区）、分站（变电站）的无功平衡，尽可能地使长距离输送的无功最小、最大限度地减少功率及电能损耗。

②电力补偿与用户补偿相结合。据统计分析，无功功率大约有50%消耗在用户方面，剩下的50%左右消耗在电力网的损耗上。因此，电力部门与用户共同进行补偿是适宜的。

③分散补偿与集中补偿相结合，以分散补偿为主。既要在变电站进行集中补偿，又要在配电线路及部分用户进行分散补偿，但大部分补偿设备应配置在配电网络中，以实现就地就近补偿。

④降损与调压相结合，以降损为主。无功补偿应尽量分层（按电压等级）和分区（按地区）补偿，就地平衡，避免无功电力长途输送与越级传输，当线路中有较大无功负荷点时，除应考虑与线路始端的距离外，也应考虑大的无功负荷点。选择电容器时应考虑电容器的过电压能力，耐受短路放电能力、涌流，以及运行环境和电容器的有功损耗等因素。

3 谐波引发的问题及解决措施

电力网中的谐波问题已引起广泛的关注，这是由于随着现代工业技术的发展，电网中非线性负荷（例如晶闸管换流设备、电弧炉、家用电器等）大量增加，供电电压的波形发生了严重的畸变（即电网中谐波含量急剧增加），影响了电力网和电器设备的安全运行，并危及广大用户的正常用电和生产。谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理；适用于消除谐波在装置内不良影响的办法并不能减少谐波在电源系统内造成的畸变，反之亦然。

3.1 影响供电电源的谐波问题及解决措施

《中华人民共和国电力法》指出：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”，《供电营业规则》中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。”可能的解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。

3.1.1 装用谐波滤波器

对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器，滤波器可去掉20%的五次谐波以及全部的高次谐波，对基波影响甚微。为了避免增益顶峰靠近谐波，必须用解谐的滤波器，而且可能需装多个滤波器。在12脉冲桥路中最低次的谐波是11次的，此时情况比较简单。