谐波治理对电网安全经济运行的作用

张琰美

摘要：随着电弧炉、中频炉等非线性用电设备接进电网，将其产生的谐波电流注进电网，使公用电网的电压波形发生畸变，造成电能质量下降，同时威胁与电网相连的各种电气设备的安全经济运行。本文旨在从谐波的产生、谐波带来的危害、谐波治理方法、谐波治理带来的成效来阐述谐波治理的重要性，让企业由被动接受到主动进行谐波治理改造。

关键词：谐波危害;治理方法;成效分析

一、谐波的产生

谐波是由于大量电力电子设备非线性负载的投入运行，导致供电电压电流波形发生畸变，通过对畸变的电压、电流波形数据进行傅里叶分解，分解出的频率高于50HZ基波频率的分量成为谐波。为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

（1）电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。

（2）交流整流的直流用电设备：如电解、电镀等。

（3）交流整流再逆变用电设备：如变频调速等。

（4）开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。如：某企业的中频炉通过35kV整流变进行供电生产，由于整流电源的采用的是二极管整流技术，若电源变压器单个绕组侧采用的是六脉动整流技术，则产生的谐波主要以 5， 7， 11，13 次谐波为主。

二、谐波带来的危害

（1）增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电设备的有效容量和效率，造成电能损失;

（2）引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行;

（3）产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命;

（4）由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化;

（5）谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命;

（6）零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。

（7）谐波变改变了电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量;

三、谐波治理的方法

谐波治理就是通过各种措施减少谐波的产生或者使产生的谐波流入滤波设备，或者抵消产生的谐波等手段，使电网上的谐波含量符合国家标准的要求。谐波治理措施主要有两种：增加无源滤波设备或有源滤波设备。

（1）无源滤波器，又称LC滤波器，主要有无源元件R、L和C组成。是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路;单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是被广泛应用谐波治理方法。

（2）有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

当前我县结晶硅行业和钢铁行业单台变压器容量一般为5000kVA至25000Kva，因此谐波治理主要采用无源滤波设备。

四、谐波治理带来的成效

下面简单介绍我县某钢铁厂安装进行谐波治理后带来的成效：

1、企业基本情况：

配电系统采用 35KV 进线，主接线方式为单母线分段。共有五台中频炉，分别由五台整流变ZS-6300KVA/35进行供电，Ⅰ段进线下连接三台整流变， Ⅱ段进线下连接两台整流变， 每台整流变负荷最大为 7000KVA 左右。

2、谐波治理方案：

县供电公司力率考核值为0.90，通過计算、修正及仿真， 本方案设计在整流变补偿绕组35kV侧各加装一套滤波补偿装置，设计单套滤波装置基波补偿容量为6000kvar（能满足用户平均功率因数在 0.95 以上），装置共分为 5，7，11 次（高通）3 个滤波通道3条滤支路。本方案设计系统总安装容量为 12000kvar，此方案总投资约100万元。

3、谐波治理带来的成效：

设该钢铁公司 5台整流变有功27MW，每天正常工作10 小时，一年工作 300 天，最大负荷全年耗电时间为 3000 小时（τ），平均功率按 27MW 计算，假设每度电费为0.58 元。线路电能损耗与传输电能比为0.03以δ表示，则补偿后的全年节电量：

△WL=SL×cosφ1×δ×τ×{1-[cosφ1/cosφ2]2}

≈446225（kw·h）

（2）补偿后变压器全年节电量：

△WT=△Pd*（S1/S2）2×τ×[1-（cosφ1/cosφ2）2]  ≈162028（kw·h）

式中Pd 为变压器短路损耗， 约为 250KW

（3）补偿投入后的全年总的节电效果：

Y=（△WL+△WT）*0.58≈35.28 万元

（4）力率电费的节约：

根据用户地区的电费计价方式，用户全年应交纳的功率因数调整电费约为：因无功补偿装置投入后，系统功率因数达到了功率因数考核点 0.95 以上，故不会再产生功率因数罚款电费，反而还会有部分电费奖励。

力率奖励电费=有功电费*力率=有功功率*全年工作小时*电费单价*力率=27000*3000*0.58*（0.75%+2.5%） ≈152.685 万元

（5）合计全年节约电费：

35.28+152.685≈187.965 万元

该企业投资约100万元进行谐波治理，约半年即可回收成本，不仅提高了电网的电能质量，确保了清洁合格的电能供应，实现双赢。

结语：

电力工作者应大力开展谐波治理工作，除了对新受理用户新建、增容或改造业务进行严格把关，并要求提供有资质单位出具的电能质量评估报告方可竣工验收送电外，还要向电力客户普及电能质量知识，宣传谐波治理所带来的供用双赢效益，得到用户的认可和配合，让企业由被动接受到主动进行谐波治理改造，确实充当电能“净化器”。