浅析火力发电厂的谐波与抑制

2021-04-03黄臻

中国设备工程 2021年24期

关键词：发电厂变频器谐波

黄臻

（华电国际邹县发电厂，山东邹城 273522）

谐波存在于电力系统从发电端到用户端的全过程每一个环节。抑制谐波，既能有效减少电能损耗、消除影响设备寿命的不利因素，又能改善电磁环境，提高发供电设备的运行稳定性。

1 谐波的定义和检测

谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，处理得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/fl）称为谐波次数。

发电厂谐波主要是发电厂电气系统之中存在非线性电力元件和负载产生的。主要有非阻性负载（容性负载、感性负载）和电力电子变流设备等。非线性负载的电流和电压为非线性关系，电流非正弦波，引起电压波形发生畸变。这种非线性负载除了产生基于基频整次倍的谐波，也可产生低于基频的次谐波和大于基频的非整数倍的谐波。国家标准《电能质量：公共电网谐波》GB/T 14549-1993规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流允许值，是目前发电厂谐波管理重要的技术依据。

谐波电流、电压和谐波阻抗是谐波检测的三个最基本参数。测量谐波电流一般采用低感分流器和电子式电钳的测量方法。测量谐波电压一般采用电阻分压器或电容分压器的测量方法。谐波测量设备一般基于快速傅立叶分析原理，由模拟滤波器和模拟（数字）相关器或计算机组成。谐波阻抗测量一般是对所测量的系统外加一个可控谐波电流源，分别测量其电压的幅值、相位。实际工作中，通常采用电能质量分析仪、谐波检测仪来监测和分析谐波。将负载或电气设备接入系统的公共连接点选为谐波测量点，测量此点的电压以及注入系统的电流，取得需要的谐波数据。

2 发电厂常见谐波源

向电气系统注入谐波电流以及在电气系统中产生谐波电压的设备统称为谐波源。非线性电气设备是主要的谐波来源。根据谐波的定义可以得出，电力系统所有环节都可能产生谐波，在配电和用电这两个环节上产生谐波的设备数量最多。发电厂的厂用电系统和发电机组电气和热工保护控制系统恰恰就属于配电和用电这两个环节。由于电力谐波知识专业性强，了解的人员较少，往往未引起足够的重视。

（1）发电厂大型同步发电机可产生一定数量的谐波。在理想状态下，发电机的三相绕组完全对称，铁芯完全均匀一致，并不会产生谐波。但理想状态下的发电机在实际应用的发电厂中是不存在的。由于材料、工艺、加工精度等客观条件的限制，发电机制造既做不到三相绕组完全对称，也做不到铁芯完全均匀一致。发电机产生少量的谐波是不可避免的。

（2）发电厂电力变压器是重要的谐波来源之一。由于变压器铁芯存在饱和现象，非线性特征明显，变压器的激磁电流中含有3、5、7等奇次谐波分量。由于一般变压器的原副边绕组总有一个三角形接法，为3次谐波提供了通路，3次谐波无法流入电网，流入电网为高于3次的5、7等奇次谐波。所以变压器注入电网的电流含大量奇次谐波，谐波电流的大小与变压器铁芯饱和度正相关，铁芯饱和度越高，产生的谐波电流就越大，危害性也就越大。

（3）发电厂采用晶闸管整流技术的设备，是产生谐波的重要来源之一。在发电厂中，直流系统充电装置、UPS、开关电源、汽机快冷装置、螺栓加热器、控制设备直流电源等都离不开晶闸管整流技术。这些设备应用范围广、数量大，且都会产生大量的谐波。从数量来说是发电厂最大的谐波源。

（4）发电厂广泛使用的高低压变频器是产生谐波的重要来源之一。变频技术在发电厂节能技术改造应用中越来越普遍。变频器按照额定电压来分，主要有两大类，一种是高压变频器，主要应用在变载的大型风机、水泵上，如发电厂吸、送风机、凝升泵、凝结泵、循环泵等；另一种是低压变频器，主要用在给粉机、给煤机、电梯和消防系统稳压泵等一些小型水泵或风机等方面。近年来，高压变频器技术发展较快，应用在发电厂凝升泵、循环泵、六大风机等节能效果明显，产生巨大的经济效益。尤其是交-交高压变频器技术发展和国产化程度的提高，促进了高压变频器迅速普及，变频器设备大量应用。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。由于使用数量较大，在谐波源中的作用更不可忽视。

（5）充气电光源是发电厂典型的谐波来源之一。作为发电厂主要照明设备的充气电光源，是应用气体放电原理的最常见电气设备。这种具有明显非线性特征的用电设备，在发电厂生产现场使用数量最大，应用范围最广，存在于发电厂各个系统的各个角落。如日光灯、金属卤化物灯、高压钠灯、高压汞灯等。

（6）用电环节中的电气设备也能产生一定量的谐波。如发电厂生产现场大量使用的空调器和计算机、显示器、电子电器等，因内置调压整流元件而产生一定数量的谐波。发电厂电气系统中大量使用各种电动机，也能产生一定量的谐波，也是不可忽视的谐波来源。

3 谐波在发电厂中的危害性

对于发电厂而言，谐波干扰往往是容易被忽视的重大危险源。由于发电厂配置的自动控制、保护、测量装置采用大量的电子元件，容易受到谐波干扰产生误动，一旦控制装置误动将直接威胁发电机组的安全稳定运行。谐波往往会引起故障录波器误启动。系统中存在的不明原因的误动和拒动，往往与谐波有关。配电系统中谐波引起的谐振过电压，有可能造成绝缘类故障。谐波超标会严重威胁发电系统的安全稳定运行。

（1）谐波对于变压器的影响。谐波电流会使变压器铁损增加，引起铁芯过热，降低变压器效率，影响变压器寿命。

（2）谐波对于电气电容器的影响更为直接和显著。由于电容对于高次谐波的阻抗很小，很容易造成过载损坏。所以对于电容器设计和选型应考虑谐波因素的影响。

（3）对断路器而言，一般其分合闸回路元件为电磁线圈，可能受谐波的影响误动。同时，在分闸过程中，由于谐波的存在，当断路器在电流过零时会因为谐波叠加造成开断困难，延长了故障电流的切断时间。

（4）发电厂主辅系统中普遍使用的异步电动机，会因为谐波的存在造成附加损耗增加，同时也会降低电动机的出力。

（5）电能表是发电厂重要的计量工具，关口电能表更是发电厂关乎经济效益的核心计量设备。谐波直接危害是可能会引起电能表计量误差增加，甚至是计量失效。由此计量数据的统计分析用于机组或系统的调整也会产生偏差，使得机组或系统难以运行在最佳经济方式下，更会因计量误差的增大带来直接的经济损失。

（6）对于电力电子变流设备，谐波有可能造成晶闸管误触发，导致设备故障停运甚至是损坏，也容易引起连锁反应威胁机组的安全稳定运行。

（7）高次谐波会干扰发电厂通信及信息处理设备，影响它们的稳定运行。

（8）谐波对于人体的危害，主要是对大脑、心脏的影响以及谐波噪声对人体健康的影响。

4 发电厂抑制谐波的措施和方法

管理谐波的思路主要是抑制谐波，就是采取消除或补偿等手段将谐波量控制在较低的安全范围内。对于发电厂而言，抑制谐波主要采取如下针对性措施：

（1）重视谐波的危害和掌握谐波相关知识非常重要。在管理层面和技术层面上采取措施，加强对谐波标准、规范的培训和学习，明确抑制谐波是保证电网（包括发电厂）和设备安全稳定运行的基本保证。让从业者认识什么是谐波，如何测量和评价，了解谐波的成因和危害，掌握抑制谐波的方法和措施。

（2）重视源头治理。严把设计选型关，新上或改造的设备，在设计、选型方面应将该设备的谐波污染度作为基本指标进行审核，满足国家标准对谐波限制的要求。一方面严格根据有关标准审查新设备的有关参数，防止谐波超标的设备接入系统（如整流设备要求采用不低于12脉冲整流技术，可消除5、7次谐波等）。另一方面防止电磁兼容不合格的设备接入系统，引起设备的不正常运行。

（3）发现不明原因的设备误动或拒动，不可轻易放过。可考虑进行谐波检测分析，查找谐波源产生的位置和原因，判断是否产生了超标的谐波污染。