低压变配电系统谐波监测与治理技术

陈丽斐，杨文荣

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300131）

低压变配电系统谐波监测与治理技术

陈丽斐，杨文荣

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300131）

随着社会的发展，各种新型的用电设备得到广泛的使用，由于设备运行所要求的高安全性和精确性，对电能的使用和需求产生了更高的要求，但非线性负荷大量使用却带来了严重的电力污染．通过对某公司变配电室的低压变配电系统进行谐波实际监测，对监测结果做出了较为详细的描述，详细分析了谐波对电气设备危害．然后探讨了谐波治理的一般方法，针对该低压配电系统提出了一种有效的谐波治理措施并检测出了试运行后的结果，最后通过对比谐波治理前后数据，分析该技术方案优势．

低压供电系统；电能质量；谐波；无源滤波器；有源滤波器

0 引言

某公司PC配电室在生产线试产初期，配电室进线处总功率因数不算太低，无功补偿没投入．一次因配电室电压偏低，在手投入无功补偿第1组时，发现电流高达400A，同时限流电抗器产生啸叫声，立即退出运行．实际上，该组回路补偿容量80 kVar，额定电流90 A．经过电气主回路以及控制回路的常规检查，未发现异常．再次对其它回路单组投试，现象依旧．经过对系统、负荷、以及相关资料分析，确认该配电系统存在谐波的可能．

1 该PC变配电室谐波跟踪监测

该PC低压变配电室为某公司某一项目配套建设，设置S11-2500/10kV/0.4变压器2台，GGD3配电柜50台，采用电抗-电容型无功补偿型式，每段设置无功补偿装置柜3面，额定容量720 kVar．安装容量6 100 kW，其中4 700 kW（近总容量77%）采用变频控制．伴随生产投入用电设备增多，电力负荷加大，为了做好低压系统的谐波分析，自2015年1月以来，对该PC变配电系统及其他PC室进行多次监测．电力系统及量测位置如图1（仅以该PC配电室II段为例）．

图1 电力系统及监测位置Fig.1 Power system andmonitoring location

1.1 测试点a监测结果

采用电能质量分析仪对系统进行量测[1]，结果见图2．图2为系统电压电流瞬时值图，从图中可以看出电流畸变很大．图3a）和图3b）为测量期间基波电压、电流图，图4a）和图4b）为系统谐波电压、电流频谱图．

图2 系统电压、电流瞬时波形图Fig.2 System of instantaneousvoltageand currentwaveform figure

1.2 测试数据分析

因为该PC室主要负荷采用变频器控制，使得系统产生大量谐波，由测试数据可知，设备运行时产生谐波主要为5次谐波，测量期间出现的5次谐波电压最大值为，电流最大值为．由图3可计算基波的相电压有效值为222.53V，基波相电流有效值为2 474.87A，由图4可得各次谐波有效值．

电压畸变率为

图3 基波电压、电流趋势图Fig.3 Basewaveof voltageand current trend chart

图4 系统谐波三相电压电流频谱图Fig.4 Phasevoltageand currentharmonicsspectrum

2 谐波对低压变配电所危害分析

在测试该PC配电室低压系统谐波的同时，对于该公司其他几个PC室也进行了测量，其中该PC室最为严重，这也同其他PC室使用变频器[3]等谐波源较少相吻合，通过对比其他PC室的状况，明显此PC配电室因谐波而存在问题，为供电系统带来危害．就本供配电室而言，谐波的危害体现在以下几个方面[4]：

1）补偿电容器无法正常投入

单组投入电流达到410A，而额定电流仅为96 A，使得功率因数无法得到补偿．

2）低压配电系统电压偏低

同比其它配电室，该配电系统电压低11～17V，当35 kV进线电网电压较低时，由系统电压的偏低，存在个别设备停机的可能性．而当因检修负荷低，而系统电压又升高很多，危及变频器等电压敏感设备．本配电室使用的变频器损坏几率明显高于其他配电室的变频器．

3）电设备损耗增大

因谐波电流存在，加大变压器、电机、电缆等设备或线路损耗；变压器在冬季室温5℃，变压器温升超过40℃，到夏季变压器温升还要升高；电机设备温度、噪音增大．

4）配电室母排等个别点温度偏高

母排的个别部位温度到50℃左右（环境温度10℃），到夏季温度近70℃．温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命．

5）配电室断路器降容使用

谐波电流也会引起开关额外损失，并提高温升使承载基波电流能力降低．

6）谐波对开关和继电保护的影响

低压断路器的固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式的跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸．

3 谐波治理的主要技术措施

3.1 国内外谐波治理技术及其原理

抑制谐波污染的有效措施为采用电力滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流．其基本结构是利用由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成的滤波装置进行滤波．主要分为无源滤波器和有源滤波器．

无源滤波器对某一频率的谐波呈低阻抗，从电网阻抗中分流，使大部分该频率的谐波流入滤波器．无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段是无源滤波器[5]．

随着电力电子技术的不断发展，有源滤波器越来越成为人们研究的重点．与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点[6]．

图5 低压配电系统Fig.5 Low voltage systems

3.2 本低压变配电系统谐波治理方案

由测试数据可知，设备运行时产生谐波电流，且主要表现为5次谐波电流，系统功率因数为0.948．在此情况下，为了提高系统供电质量，降低谐波电流对系统的影响，保证设备正常运行，主要考虑5次谐波电流治理，即采用无源滤波器治理方案[7]．图5为设置了谐波治理装置的低压配电系统．

无源滤波器型号是NCSF231-400-50/250-621/512-080822-PS，NCSF表示生产厂家，耐压400V，该无源滤波器可耐5次谐波电流高达512A，它由滤波电抗器和电容器组成，以滤除5次谐波为主，同时还可以提供231 kVar的无功功率，可有效保证系统功率因数．

容量补偿的确定可以根据负荷的最大功率，补偿前的功率因数和补偿后需要达到的功率因数用以下公式进行确定：

图6 系统电压、电流瞬时波形图Fig.6 System of voltage,current instantaneouswaveform

图7 基波电压趋势图Fig.7 Fundamentalvoltage trend graph

4 谐波治理后监测结果

在投入无源滤波器后，对图一所示的监测点a再次进行测量，图6为采用无源滤波器后A相得到的相电压和相电流的瞬时波形图，如图可知在加入无源滤波器后，相电流的波形图有了明显改善．图7在某一段时间内截取了投入滤波器前后的基波电压变化趋势图，从图中可以看出在投入滤波器后基波电压有了明显提高．经过对测量的数据进行系统的整理，绘制了系统中谐波电压电流数据记录表1和表2，其中 THD为畸变率，P.F.为系统功率因数．

由表1和表2对比可知，滤波器投入后，系统中5次谐波电压有所下降，系统总谐波电压畸变率降低至国家规定范围以内；系统中5次谐波电流由317.09A降低至111.84A，总之，提高了系统供电质量．滤波器投入前，系统功率因数为0.948；投入后，功率因数可达到0.988．同时，也可使变压器使用裕度提高，增加了变压器的带负载能力[8]，增加效益．装设滤波柜后提高系统端电压约2.12 V．

表1 系统中滤波器投入前谐波电压电流数据记录表Tab.1 System harmonic voltage and currentdata record table befor Filter into use

表2 系统中滤波器投入后谐波电压电流数据记录表Tab.2 System harmonic voltage and currentdata record table after Filter into use

5 结束语

近年来，随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统应用日益广泛，使电网中产生了大量的高次谐波，造成了电压电流波形发生严重的畸变．当电网中存在的谐波成分超过了限制标准时，将严重影响电力系统和用电设备运行的安全性、可靠性、稳定性和经济性，同时也严重污染了周围的电气环境．电力系统中谐波分量的快速、准确检测对电能质量的治理关键；采取性价比高、少投资、性能稳定、安全可靠的谐波治理技术和装置，在电网的净化和减少经济成本等方面意义重大，本文为改善电网质量，稳定电气设备运行，节能降耗提供实际方案．

[1]杨洪耕，惠锦，侯鹏．电力系统谐波和间谐波检测方法综述 [J]．电力系統及其自动化学报，2010，22（2）：65-69．

[2]GB/T 14549-1993，电能质量公用电网谐波 [S]．

[3]罗安．电网谐波治理和无功补偿技术及装备 [M]．北京：中国电力出版社，2006：39-40．

[4]王智忠，李颖峰．中低压配电网无功补偿 [J]．电气时代，2010（5）：62-63．

[5]LiD，Chen Q，Jia Z，etal．A high-power active filtering system w ith fundamentalmagnetic flux compensation[J]．IEEE Transactionson Power Delivery，2006，21（2）：823-830．

[6]George JWakileh．电力系统谐波-基本原理、分析方法和滤波器设计 [M]．徐政，译．北京：机械工业出版社，2003：58-62．

[7]翁利民．电力电子技术与谐波抑制，无功补偿技术研究综述 [J]．电力电容器，2004（3）：6-10．

[8]Liu Zhongdong，Himmel J，Bonfig KW．Improved processing of harmonics and inter harmonics by time-domain averaging[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2005，20（4）：2370-2380．

[责任编辑 代俊秋]

Low-voltage power distribution system harmonicmonitoring and control technology

CHEN Lifei，YANGWenrong

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300131,China)

With thedevelopmentof society,a variety ofnew electricalequipmentisw idely used,due to thehigh security and accuracy of the equipment required to run,ahigherdemand hasgenerated aboutusing and demanding forelectricity, buttheextensiveuseofnon-linear loadshasbroughtseriouspowerpollution.Through harmonic actuallymonitora power distribution system ofa company's low-voltage powerdistribution room,madeamore detailed description ofmonitoring resultsand gived a detailed analysisofharmonicson electricalequipmenthazards.Then discussed thegeneralmethod of harmonic control,proposed an effectiveharmonic controlmeasuresagainstthe low-voltagedistribution system and detected the resultsof the testafter then,compared theharmonic databeforeand afterand analyzed the advantagesof the technology program.

voltage power supply system;powerquality;harmonic;passive power filter;active power filter

TN713

A

1007-2373(2016)04-0006-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.04.002

2016-07-18

陈丽斐（1993-），女（汉族），硕士生．

杨文荣（1969-），女（汉族），教授，博士．