工业供配电的谐波危害及治理技术措施研究

2022-08-19李毅

中国设备工程 2022年15期

李毅

（昆明煤炭设计研究院有限公司，云南昆明 650051）

电网谐波是电网中存在的除基波电压、电流之外的高次谐波分量，对设备来说它会造成绝缘破坏、损耗增加、甚至误动作，对电网也会增加变压器损耗、较大的零序谐波电流甚至会烧毁电流互感器等关键元器件造成供电事故。随着我国现代化技术的不断发展，非线性用电设备越来越多，因此出现了大量的谐波源，这些谐波造成电网品质严重下降，供电可靠性降低，大大的增加了电力损耗，电网可用容量也大幅度下滑。

1 谐波的产生、危害和影响

好的供电系统给用户提供的是完美的正弦波形电压，也就是我们所说的理想的恒压源系统，它需要电源系统极低的内阻（近乎为零）。然而，供电系统容量都是有限的，直流变送系统、大功率单相整流系统、IGBT 斩波

器（如变频调速、大功率可控硅器件）等均为非线性负荷，其电流与所施加的电压不是线性关系，而是形成了非正弦波电流，而非理想的电源系统会对非线性的电流产生反应，从而出现非正弦波分量的电压，这就是谐波。谐波主要有以下几方面的危害和影响。

1.1 引起电网谐振

因电网中的分布电容与系统中感性元件的组合，在一定的频率下可能形成串联或并联的条件，当系统中存在某次谐波正好与谐振频率吻合且能量足够大时，就会造成危险的过电流或者过电压。

1.2 引起设备损耗增加

高次谐波施加于电容器两端时，由于电容器对高频的阻抗不大，导致电容电流也大大增加，电容器损耗也随之大大增加。高次谐波在变压器中会产生高频涡流，导致器材损耗加剧，变压器有效容量降低。

1.3 对电动机影响

因高次谐波的趋肤效应首先会产生附加损耗，其次负序谐波会产生阻碍转动的脉动转矩，会使转子不规则振动，电机发出啸叫。

1.4 对变压器影响

谐波可使变压器的涡流及磁滞损耗转矩，3 及3 的倍数次的零序谐波，还会在三角形连接的绕组中形成环流，进一步增加变压器损耗甚至使变压器过热。

1.5 对输配线路影响

线路感抗随频率升高而增加，因集肤效应高次谐波感抗越大损耗从而也越大，且零序谐波会在中性线上叠加，有可能中性线过热甚至烧毁。

1.6 破坏设备绝缘

高次谐波电流会对旋转电机、变压器以及其他电器设备造成损耗加剧，引发局部加热，加速了绝缘介质的老化，导致绝缘被破坏。大量的谐波会使电源形成幅值极高的尖峰电压，直接破坏设备绝缘，导致电缆发热，引发火灾问题。

1.7 干扰电子控制设备

在电子设备中出现谐波问题，会产生误操作的现象，影响电子元件的正常运行。

1.8 影响继电保护

谐波问题出现可能会引发继电保护现象，这主要是因为设备受到相位变化出现误动或者拒动问题。对于不接地系统中的电压互感器，由于谐波产生的零序电流会导致电压互感器烧毁从而使继电保护系统失效。

1.9 影响仪器有效性

谐波会造成有效值的改变，导致测量仪器出现误差，此外谐波还会导致通讯设备出现杂音以及故障等问题。谐波分解示意图如图1。

图1 谐波分解示意图

2 谐波限值及谐波检测的方法

2.1 加强谐波检测

电网中的非线性负荷以及冲击性负荷较多，会产生谐波电流并产生上述危害，想要减小危害，就需要对谐波进行治理，而之前必须对谐波进行检测，对干扰源进行鉴别，这样可以快速发现电网中出现的谐波，并且有针对性的提出解决措施，利用科学可行的手段对重点污染线路展开谐波治理。

2.2 公用电网对谐波的限值

表1为《工业与民用供配电设计手册》中公用电网谐波电压限值。

表1 公用电网谐波电压（相电压）限值

根据表1 可知，电网标称电压越高，允许的总谐波畸变率越小，也就是说，电网电压越高，谐波危害造成的范围会越广，所以控制越严格。

2.3 谐波检测的方法

现阶段国内外谐波检测的方式主要有两种，分别是非参数化以及参数化。其中非参数化的方式主要包括快速傅里叶变换、瞬时无功功率理论、人工神经网络和小波分析法。非参数化中，快速傅里叶变化具有多功能、计算容易的特点，但是存在频谱泄露体积栏栅效应的问题，对检测的精准度难以保证；瞬时无功功率理论具有较强的时效性，无法满足快速检测谐波的需求；人工神经网络的检测速度较快，但是硬件实现较为困难；小波分析法具有较强的实时性以及动态性，但是高频部分分辨率低，并且无法寻求合适的小波函数。参数化方式主要有自回归-滑动平均模型谱估计法以及Prony 法，对频率分辨率提升有重要的促进意义，但其精准度会受到AR 模型阶数以及噪声问题影响。Prony 能够直接对信号进行分析，但是计算量较大并且对噪声较为敏感，因此需要利用最小二乘意义上的拟合，进一步改善测量过程中出现的噪声问题，促进实时处理能力提升。

2.4 建议的谐波检测方法及谐波检测的过程

信号处理过程中包括基于频域理论的处理防范以及基于时域的处理方法，从谐波检测层面来看，模拟滤波处理器就是基于频域的理论方式，此种方式用于谐波检测的时间较长。检测原理是借助滤波器将基波电流分量滤除，以此获取谐波分量或者使用通滤波器获得基波分量，再和检测电流相减，进而获得谐波分量。该检测方式使用起来较为简便、消耗的成本较低、输出阻抗较小、相关因素也能被科学管控，然而在获得稳定以及理想的相幅频特性上较为困难，且一组滤波电路只能对某个频率的谐波进行检测，电网频率波动时，检测的精准度无法得到保障。因此，在谐波检测的工作进程中，还需要使用傅里叶变换法以及其他多样化的检测方法。

3 谐波治理技术措施

（1）从负载端减少谐波。如前所述，首先谐波就是非线性负荷所引起的，所以尽量不用或少用非线性负荷的设备是减少谐波的最直接的方法，如尽量不使用气体放电灯、减少变频空调的使用等。

（2）必须要使用变频器等换流设备时，尽量采用高脉动（或者说多电平）的换流装置，脉动数高，输出的波形越接近正弦波，谐波也就会越小。

（3）变压器尽量采用Y 型接法，可以使3 及3 的倍数以上的谐波没有通路，可以有效抑制谐波。对于我们大多数厂矿来说，电源多为10kV，设备电压多为380V、660V 等，此时变压器采用D-y 接法对抑制谐波比较有利。

（4）采用无源电力滤波器。采用电容和电抗器组成的电力滤波器，利用其在谐波频率下阻抗值较低的特性，滤除特定频率的谐波电流，可以有效减少特定频率的谐波。无源滤波器结构较为简单，在运行过程中可靠性也较高，并且在基波频率下还可以提供容性的无功补偿，在高压高低压供配电系统中得到了具体应用。但是无源滤波器也存在一定问题，只能对特定次数谐波进行吸收，容易出现系统谐波导致谐波放大问题出现，谐波吸收效果也会受到系统运行方式的影响。

（5）采用与负载串联的电抗器。利用电抗器通低频阻高频的特点，可以在一定程度上平抑高次谐波，对频率较低的谐波不是很理想，而且能明显抑制谐波的电抗器体积比较大，能量消耗也十分惊人，所以一般只是加一定程度的电抗器，使负载（如电机）基本可以运行即可。

（6）采用有源滤波器。有源滤波器实际也是一个多脉冲的换流装置，把它和非线性用电负载并联，控制装置实时对负载电流进行监测，利用计算的方式能够得到负载电流的谐波，控制逆变器产生一个和谐波电流大小相等，但方向相反的谐波电流，表象上看可以抵消负载的谐波电流，实际是向负载提供其所需的谐波电流，其原理与无功补偿有相似之处。目前，有源滤波器是治理效果最好的一种方法，高质量的有源滤波器能够对所有谐波进行补偿，缺点是体积较大，造价高昂，特别是高压的有源滤波设备价格比等容量的换流设备还要昂贵，因此一般应用在低压中小功率领域。

（7）提高电力系统的谐波承受能力。前面提过，由于电力系统不可能容量无穷大，内阻为零，因而在有非线性负载时不可避免的会产生谐波电压，对其他负荷造成影响。但是供电系统容量越大，同样的非线性负荷引起的谐波畸变就会越小，所以采用更高等级的供电电压及选用更大容量的变压器是可以有效降低谐波的，但这也会增加用户的投资及使用成本。