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摘要：近几年现代化工业以及电力电子技术的不断发展，用电负荷的性质发生了重大变化，非线性负荷产生的谐波电流注入到电网，在低压配电系统中仅仅安装无功电容补偿已经无法满足系统供电质量。本文主要介绍低压配电系统的谐波产生源及危害、谐波的分类、如何应用有效的滤波补偿方案。
关键词：配电系统；谐波源；滤波及无功补偿
1 引言
随着现代化工业以及电力电子技术的不断发展，用电负荷的性质发生了重大变化，各种换流设备、变频装置、电气化铁道等非线性负荷遍及全系统；电视机、计算机、节能灯等带有整流装置和晶闸管调压装置的家用电器的使用也越来越广泛。这些非线性负荷产生的谐波电流注入到电网，会造成电压波形发生畸变、电压三相不平衡、电压波动和闪变、频率波动等，严重的污染了电网的环境，威胁着电网中的各种电气设备的安全经济运行。
对于供电系统的电能质量治理，首先要分析系统中产生谐波负荷的特性，选择什么样的治理设备往往困扰着大部分用户。接下来，我们将从谐波的产生及危害、治理设备原理、安全运行、治理目标、实施难易程度等方面分类讨论。
2 产生非线性电流常规用电设备
供电系统中产生非线性电流的用电设备大致可以分为如下几大类：
1）照明控制系统、路灯荧光灯站的电子控制调节器。
2）开关电源、计算机、办公自动化设备、家用电器。
2）电动机调速设备（软起动、变频器）。
3 ）整流设备（6脉整流设备、可控硅整流设备及硅整流设备）。
4 ）电焊设备（单相380V/220V焊接设备的三相不平衡负载）。
5）不间断UPS电源、逆变器电源、电弧炉、自饱和钟芯。
6）数控机床（CNC），电子控制机构、EOM机械等。
所有这些非线性用电设备产生谐波、导致配电系统本身和设备故障。以及急及公共电网的电压畸变，造成谐波干扰。
3 谐波对电力系统产生的危害
1）谐波电流含量、计入谐波能量、造成电能浪费、用户多支出电费。
2）对变压器的危害：谐波电流由于电流趋肤效应，增加铜损、由于高频涡流效应、增加铁损、加剧变压器的发热、过热、效率降低，如果存在谐波放大、导致变压器燥声增加，甚至烧毁变压器。
3）对电缆的危害：由于电流趋肤效应，增加铜损、使电缆发热，增加过热，效率降低，甚至烧毁电缆。
4）对电动机的危害：因没有投入电容补偿功率因数，所以谐波分量暂时没有因谐振放大，但功率因数较低，造成电动机的铜损增加，使电动机过热，效率降低，甚至烧毁电动机。由于5次、11次负序波的存在，使电动机转矩脉动，影响设备正常运行。
5）对电子设备的危害：由于高频谐波的影响，使电子设备误动作，或操作不正确。如继保装量误动作，如干扰电子设备对信号的识别的准确性、判断错误，从而导致控制系统失控。
6）对开关和继电保护危害：导致开关电子脱扣器不正常跳闸，由于有5次、7次、11次负序谐波的存在、有可能对负序滤波器组成的启动元件的保护及自动装置产生干扰。
7）对补偿电容器的危害：若使用常规电容器补偿功率因数，会造成以下后果：
由电容器和变压器电感形成的串联谐振电路，从低压供电网电容器可以吸收谐波电流，由此电容器可能过载，尤其在谐振条件下，谐波电流振荡放大，并导致电容器承担一个更高额外负载，是尤其危险的。由电容器与变压器和电动机电感形成一个并联谐振电路。如果这个谐振频率与存在的谐波频率相同，例如谐振可能是7次电网谐波，这将导致产生一个极高电压谐波，在电感和电容之间产生一个补偿电流，增长至N倍于从谐波发生源流进主干网的电流，结果电容器谐波过载，馈电回路和变压器承受额外的负荷。这可能导致熔断器和开关烧毁或产生火花，导致电容器烧毁和配电设备故障。
由于电力电子设备在工业企业中越来越多应用，它们运行中产生大量谐波，所以在电网中产生谐振的几率是很高级，使用非电抗器的电容补偿系统会导致谐波放大，就会使得电力电子设备被损坏。所以为了防止谐振现象，必须使用带电抗器滤波电容器补偿系统。
4 电力系统中谐波产生的根本原因
在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。象半导体晶闸管的开关操作和二极管晶闸管的非线性特性、电力系统的某些设备如功率转换器比较大地背离正弦曲线波形、形成非正弦电流，从而产生谐波。用傅立叶分析、谐波频率是基波频率（例如50HZ）的整倍数。谐波可以区分为偶次与奇次性，3次（150HZ）、5次（250HZ）、7次（350HZ）等为奇次。2次（100HZ）、4次（200HZ）、6次（300HZ）、8次（400HZ）等为偶次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的，对于三相整流负载，有6脉冲感12脉冲设备。（例如变频器有6脉冲和12脉冲之分）。一般采用6脉冲设备较普遍，出现的谐波电流是6n±1次谐波，即仅有5、7、11、13、17、19次等N倍电网频率（50HZ）。
12脉冲功率转换器设备（12n±1）,谐波次数为11、13、17等N倍电网频率。例如6脉冲相控变频器主要产生5次、7次谐波。其他功率消耗装量。例如焊接设备负载属单相380VAC，三相不平衡负载及荧光灯的电子控制调节器，主要以产生3次谐波（150HZ）为主，电压闪变极为严重。在供电网络阻抗（电阻）下，电流谐波导致谐波电压。谐波电压叠加在基波（50HZ）供电网络的电压上，从而供电网络电压畸变。电压谐波更进一步的影响可能是供电网络电压过零点偏离。影响某些过零点心触发的电子设备的运行，从而被严重干扰。
5 配电系统的谐振频率
每个配电网络都类似于一个有着一或几个自然频率的谐振电路，并可能有一个或几个谐振点，配电系统的谐振频率可以由以下公式得到：
从是上表中可以看出谐振频率随着电容的投入和切出而改变。在这个例子里谐波可能是5次-7次电网谐波，上述公式计算只表达一个大致的指导，它没有考虑到系统中由于用电回路投入和切出所产生的变化以及谐振频率发生的偏移。如果被计算的频率与现有的谐波频率一致，那谐振现象一定出现。由于配电系统参数和短路容量是持续变化的，因而要百分之百地确定可能的谐振点是不太可能的。为了防止谐振现象，必须使用带电抗器的补偿系统。特别由于电力电子设备在工业企业中越来越多的应用，运行中产生大量谐波。选择适当的电抗器来抑制谐波，消除了补偿电器与电网中的谐波产生的谐振。
6 谐波治理及无功补偿解决方案分析及应用
当产生谐波的设备和总负荷设备的功率总和的比率超过15%且小于50%应使用滤波电抗器方案，如大于50%则应安装有源滤波器方案。
国家公用电网谐波标准GB/T14549-93的规定值如下表
在使用滤波电抗器补偿系统中的一个指标是:相对于电网电压,在5次谐波上谐波电压＞2%或者总谐波电压＞3%时还需要电网分析，以确定这些值。例如：对于400V的电网电压，在5次谐波上的极限值是8V，即2%的极限值显然是相当低，但即在这样低值时，也会有谐振的危险。
6.1滤波补偿解决方案
谐波电路的特征，即在谐振频率具有极小的阻抗，能吸收相邻频率附近大部分的谐源电流，从而改善电网谐波畸变率，清洁电网。
（1）非调谐式谐波滤补偿设备：由一个电抗器和一个电容器串联组成的谐振电路并调谐为低于最低次谐波的频率（例如214HZ）以防止谐振。非调谐式谐波滤波器系统的自振频率（例如选择电抗率5.5%（214HZ））或7%（189HZ）这些频率都低于最低系统的5次（250HZ）及7次（350HZ）谐波频率。对于高于这个自振频率的5次（250HZ）、7次（350HZ）谐波，L—C回路呈感性起到了滤波作用，而对基波（50HZ）、L—C回路趋向容性，起到了电容器校正功率因素作用。由于谐波电流与功率转换器的脉冲数有关，一般情况下为6脉冲设备（例如变频器）、它主要产生5次、7次谐波。所以选择电抗率5.5%或7%滤波电抗器是合理的。采用5.5%电抗率系统能使50-60%的5次谐波被吸收。采用7%电抗率系统能使20%的5次谐波吸收。但是如果系统存在3次谐波时，5.5%电抗率比7%电抗率3次谐波放大程度大，如果不是采用3次谐波吸收滤波时，所以采用7%电抗率滤波电抗器，能被免3次谐波谐振放大的影响。因为在3次（150HZ）谐波点，7%电抗率阻抗＜5.5%电抗率的阻抗。吸收部分3次谐波。所以常规常见到采用7%电抗率滤波电抗器较普遍原因。只不过采用7%电抗率吸收5次谐波效果较5.5%电抗率效果差些。
（2）调谐式谐波滤补偿设备：由一个电抗器和一个电容器串联组成的谐振电路，并调谐为对谐波电流具有极小的阻抗。用于精确清除配电网络中主要谐波成份。这种方案代表了对含有大量谐波系统的解决方案。这需要针对不同的谐波成份分别设计串联谐振电路，例如分别设计吸收3次、5次、7次和11次等谐波的电路。这种串联谐振电路的谐振频率调谐到与电网阻抗相比，对谐波电流有相对小的阻抗。因而谐波电流被大量吸收到滤波电路中，只有相当小的部分流入电网。对基波（50HZ）而言谐振频率时谐振电路（L-C回路）总是呈现为一个电容性的无功电能分量，有助无功电流补偿。
（3）有源滤波及无功发生器：单纯有源滤波器(APF)：可以滤除宽频谱的谐波(如2 到 50次谐波)；单纯双向无功发生器(SVG)，可以发出感性或容性无功电流。有源补偿无功电流是一种基于电流检测和电流注入技术的电力电子产品。工作原理为：通过实时检测负载电流波形，滤除波形中基波（50HZ）成分，将剩余部分波形反向，通过控制1GBT（电子电能转换器）的触发，将反向电流注入供电网络中，实现滤除（抵消）谐波，动态补偿谐波和无功补偿避免共振破坏，提高功率因数等功能。
在IEC标准中，无源滤波器的谐振点低于主谐波频率90%时，为非调谐式滤波器，也叫做安全补偿系统，例如背景谐波为5次时，谐波的频率为250Hz，非调谐滤波器的谐振点往往设立在189Hz（电抗率为7%，五次谐波电流的滤波效果约为15%，具体视系统阻抗）、204Hz（电抗率为6%）、214Hz（电抗率为5.5%，五次谐波电流的滤波效果约为40-50%，具体视系统阻抗）；无源滤波器的谐振点低于主谐波频率100%高于90%时，为调谐式滤波器，例如背景谐波为5次时，谐波的频率为250Hz，调谐滤波器的谐振点往往设立在240Hz（电抗率为4.5%，五次谐波电流滤波效果具体视系统阻抗）。
6.2从安全运行的角度分析：
非调谐式滤波器的谐振点由于离主谐波频率较远，有一定的阻抗，并且阻抗呈感性，可有效解决电力系统由于谐波的存在，在投切电容器时发生谐振的可能性，并且起到降低谐波电压，将一部分谐波电流分流的作用；由于进入LC回路的谐波电流较少，元器件发热和受到大电流冲击引起的事故概率就少很多，并且可以根据系统的无功情况进行自动投切，如果工厂的无功变化不是很频繁，可以选择比较经济的传统的电磁式接触器来对LC回路进行投切控制。
调谐式滤波器的谐振点离想要滤除的目标谐波频率很近，对于目标谐波电流的阻抗很小，可以将系统内的谐波电压降的更低。但是由于阻抗很小，所以LC回路中流入谐波电流非常大，元器件容易发热和受到大电流冲击，使用不当会经常发生烧毁事故，所以在设计和制造及使用过程中要详细计算，测量，不光要考虑系统并联状态下的谐波源、谐波阻抗，还要考虑来自10kV侧或上一级供电系统中的背景谐波电压对调谐式滤波器的影响；电抗器在大电流下或过载情况下的感值是否保持恒定不发生变化（电流越大，电抗器的铁心会发生磁饱和现象，感值会下降得很快）是很重要的因素，电容器自身生产时容值就有公差，另外随着时间的推移以及发热，容值会越来越低，这就造成了LC回路的谐振点会发生偏移，比当初进行设计时变大，例如从240Hz偏移到248Hz，从而发生谐振，烧毁配电设备。还有一点，从安全的角度，调谐式滤波器通常被设计成单步大容量的逐次投切方式（先投5次滤波器，再投7次滤波器；断开时要先切断7次，再切断5次滤波器；如果在运行时5次滤波器发生故障，必须要马上退出7次滤波器，否则7次滤波器会放大系统内5次谐波并带来灾难性后果），来应对谐波电流过大的问题，但是这样就可能会带来过补偿的问题。
6.3从治理目标的角度分析
为了提高功率因数，提高变压器的利用率，提高系统的用电效率，降低无功电流带来的损耗是电力用户的最基本目的。在谐波的环境下，当用户使用LC回路的目的是既可以对基波频率（50Hz）下的系统补偿容性的无功电流，又可以避免用纯电容补偿时容易发生的谐振现象，滤除部分谐波时，建议采用安全补偿的方式，即非调谐式滤波补偿设备，背景谐波为5次以上时，电抗率选择7%或5.5%。是90%的用户选择的方式。
当用户的用电负荷比较集中，为单一大容量非线性负载，负荷变化率不高但要求变压器使用效率高逾80%以上时，此时系统谐波含量大，谐波电压超出国家GB/T14549-93的限值，特征谐波电流发生值较恒定，变压器负荷率高，建议采用调谐式滤波器，避免电力局检查并根据当地有关谐波超限的规定罚款。另外降低变压器发热，滤波效果好。例如造纸、中频炉、橡胶行业的密炼机等。
6.4从实施的难易程度分析
调谐式滤波器由于设计复杂，可控硅控制系统复杂且易损，二次控制回路投切与保护设定复杂，通常由专业厂家进行生产，调试运行均需要有经验的工程师实施，另外日后在系统中安装其他非线性负载时要经过详细的谐波电流计算及系统阻抗分析。 非调谐式滤波器安装简单，有经过培训的电工即可完成。
6.5有源滤波器(APF)、无功发生器(SVG)
谐波源负荷负荷容量占变压量容量的百分比SH/ST>50%,建议要安装有源滤波器(APF)、或无功发生器(SVG)设备。例如数据中心机房供电系统中含有大量的UPS设备。
结束语：
了解配电系统产生谐波的原因及谐波对配电系统就成的危害。根据每一个配电系统产生谐波的负荷占总负荷的情况、配电系统次谐波的特征，来选择合适的无功补偿及及谐波治理方案，才能达到既安全、有效、经济的效果。
参考名献：
[1]吴晓毅 沈斐.电源电力滤波器在谐波治理领域的应用[D].上海电力，2007.
[2]谢晶.电力系统中谐波的危害与治理[D].科技资讯，2006.
[3]张桂峰.电力系统谐波产生的原因及治理对策之我见[D].广东科技，2009.
[4]牛聪.针对某变电站的谐波分析与治理[D].灯与照明，2014.
[5]黄河清.TSC低压动态无动补偿技术现状及其应用[D].重庆钢铁集团设计院，2009.
论文作者:覃永鉴
论文发表刊物:《防护工程》2019年第3期
论文发表时间:2019/5/20
标签：谐波论文; 谐振论文; 电流论文; 滤波器论文; 系统论文; 频率论文; 电抗论文; 《防护工程》2019年第3期论文;