諧波對(duì)智能電網(wǎng)的危害及抑制方法

在供電系統(tǒng)中，諧波是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。

一、諧波的成因

電網(wǎng)諧波來(lái)自于3個(gè)方面：

1.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。

2.是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。

3.是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。

電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是27次的諧波，平均可達(dá)基波的8%～20%，最大可達(dá)45%。

氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測(cè)量這類電光源的伏·安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏·安特性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來(lái)源之一。

二、諧波對(duì)電網(wǎng)的危害

諧波污染對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在：

1.造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、線路和設(shè)備過(guò)熱燈，特別是三次諧波會(huì)產(chǎn)生非常大的中性線電流，使得配電變壓器的零線電流甚至超過(guò)相線電流值，造成設(shè)備的不安全運(yùn)行。諧波對(duì)電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性的影響還表現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振、使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)解裂等。

2.引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電壓互感器等設(shè)備損壞;造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備發(fā)熱，電容器損壞，并加速絕緣材料的老化;造成斷路器電弧熄滅時(shí)間的延長(zhǎng)，影響斷路器的開(kāi)斷容器;造成電子元器件的繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作;影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量;增大附加磁場(chǎng)的干擾等。

(一)對(duì)電力電容器的影響

當(dāng)配電系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時(shí)，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過(guò)負(fù)荷而嚴(yán)重影響其使用壽命，另一方面當(dāng)電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時(shí)，引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大使電容器過(guò)熱而導(dǎo)致?lián)p壞。因此，電壓諧波和電流諧波超標(biāo)，都會(huì)使電容器的工作電流增大和出現(xiàn)異常，例如，對(duì)于常用自愈式并聯(lián)電容器，其允許過(guò)電流倍數(shù)是1.3倍額定電流，當(dāng)電容器的電流超過(guò)這一限制時(shí)，將會(huì)造成電容器的損壞增加、發(fā)熱異常、絕緣加速老化而導(dǎo)致使用壽命降低，甚至造成損壞事故。同時(shí)，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電，長(zhǎng)時(shí)間的局部放電也會(huì)加速絕緣介質(zhì)的老化、自愈性能下降，而容易導(dǎo)致電容器損壞。

按照電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定，電網(wǎng)中任何一點(diǎn)電壓正弦波的畸變率(各次諧波電壓有效值的均方根與基波電壓有效值的百分比)，均不得超過(guò)表1規(guī)定。

表1 電網(wǎng)電壓正弦波形畸變極限值

用戶供電電壓(kV)總電壓正弦波形畸變率極限值各奇、偶次諧波電壓正弦波形畸變率極限值(%)

0.38542

6或10431.75

35或66321

1101.510.5

(二)對(duì)電力變壓器的影響

1.諧波電流使變壓器的銅耗增加，引起局部過(guò)熱，振動(dòng)，噪聲增大，繞組附加發(fā)熱等。

2.諧波電壓引起的附加損耗使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏高或三相不對(duì)稱時(shí)，勵(lì)磁電流中的諧波分量增加，絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大，影響絕緣的局部放電和介質(zhì)增大。對(duì)三角形連接的繞組，零序性諧波在繞組內(nèi)形成換流，使繞組溫度升高。

3.變壓器勵(lì)磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過(guò)大，這種諧波電流在發(fā)生諧振時(shí)的條件下對(duì)變壓器的安全運(yùn)行將造成威脅。

(三)對(duì)電力避雷器的影響

變電站大容量、高電壓的變壓器由于合閘涌流的過(guò)程時(shí)間比較長(zhǎng)，能夠延續(xù)數(shù)秒或更長(zhǎng)的時(shí)間，有時(shí)還會(huì)引起諧振過(guò)電壓，并使相關(guān)避雷器的放電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而受到損壞。這一問(wèn)題對(duì)選擇保護(hù)高壓濾波器中電感或電容元件用的避雷器參數(shù)帶來(lái)較大的困難。

(四)對(duì)輸電線路的影響

1.諧波污染增加了輸電線路的損耗。輸電線路中的諧波電流加上集膚效應(yīng)的影響，將產(chǎn)生附加損耗，使得輸電線路損耗增加。特別是在電力系統(tǒng)三相不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，對(duì)中性點(diǎn)直接接地的供電系統(tǒng)線損的增加尤為顯著。

2.諧波污染增大了中性線電流，引起中性點(diǎn)漂移。在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，零序電流和零序性的諧波電流(3次，6次、9次……)不僅會(huì)引起中性線電流大大增加，造成過(guò)負(fù)荷發(fā)熱，使損耗增加，而且產(chǎn)生壓降，引起零電位漂移，降低了供電的電能質(zhì)量。

(五)對(duì)電力電纜的影響

諧波污染將會(huì)使電纜的介質(zhì)損耗、輸電損耗增大，泄漏電流上升，溫升增大及干式電纜的局部放電增加，引發(fā)單相接地故障的可能性增加。

由于電力電纜的分布電容對(duì)諧波電流有放大作用，在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，系統(tǒng)電壓上升，諧波電壓也相應(yīng)升高。電纜的額定電壓等級(jí)越高，諧波引起電纜介質(zhì)不穩(wěn)定的危險(xiǎn)性越大，更容易發(fā)生故障。