(国网山东昌乐县供电公司 山东潍坊 262400)
摘要：谐波是指在交流电路中与工频基波频率不同的波。现代电网中，由于一些非线性负载的使用（如整流器、变频器等），导致了谐波的产生。谐波作为一种能量污染，会导致电机发热产生故障、电力保护误动作、通讯设备受干扰等异常，甚至影响设备的有功输出，此外谐波对常用仪表、计算机、家用电器等的影响也很大，容易引发事故，因此谐波治理显得尤为重要。但由于我国目前对谐波源的管理并未十分到位，没有相关法律予以约束，谐波治理仍存在空白区，加之消除非线性设备的谐波所需成本较高，导致谐波污染治理工作任重道远。当前，解决谐波问题的途径主要是提高系统电压等级、加大系统的短路容量、增加变流装置的脉动数等常规办法，并未从谐波源处入手，以致治理成果甚微。2014年，国网山东昌乐县供电公司营丘供电所成功处理了一起因谐波污染而引发的设备频繁烧损事件，可以作为谐波治理的一种借鉴。
关键词：谐波；有源电力滤波器；无功补偿
引言
2015年5月份以来，昌乐县供电公司营丘供电所不断接到辖区内用电客户电话，反映电器设备经常不明原因烧坏，严重影响了正常生产生活秩序。经统计，反映问题的主要有7家单位、2个直管台区，烧坏的设备主要有电机、空调、微机、节能灯等。特别是天泰能源加气站，其加气软启动设备的电磁阀及24V控制电源频繁损毁，导致加气站无法正常运营，损失严重。为尽快查明原因，减少用电客户损失，供电所派专人在现场展开了调查。
1 检查过程及主要原因确定
经查，反映问题的用电客户用电设备均正常，并且设备进行更换之后仍然有重复烧毁的情况发生，证明设备因素并不是导致上述异常的原因。经过对反馈情况汇总分析发现，5月份之前，各用电客户用电均正常，发生损坏时间都是在5月份以后，地点全部集中在10kV崖头线末端供电范围，电器设备损坏的时间都是在晚11点至凌晨5点间。经查阅业扩资料，在2月份该线路新上一家名为昌乐天源管件铸造有限公司的企业，新装800kVA变压器一台，使用中频炉进行铸铁管件加工，5月份正式投产。企业为节约生产成本，采取避峰方式安排生产，该企业投产后不久即发生相邻用户电器设备烧毁事件，综合以上信息，怀疑是该企业使用中频炉产生谐波导致过电压而造成了用电器烧毁。
供电所立即安排人员使用谐波测试仪在该企业和受损失最严重的天泰能源加气站检测谐波情况。（监测结果如图1）
图1 谐波波形图
根据以上波形图可以看出，该企业产生的谐波已严重超标，且功率因数极低。谐波已侵入10千伏线路辐射到临近用电客户，所以必须对该用户进行谐波及无功治理。
2 谐波及无功治理目标
2.1 对该企业谐波现状展开调查
经查，天源管件铸造有限公司使用800kVA变压器1台，800kW中频炉1台，功率因数低至0.4～0.5，谐波电流达到了320A。
2.1.1 天源管件铸造有限公司800kVA中频炉投入使用后，产生的谐波已影响该线路其他用户的用电安全，甚至影响了周围的居民用电。且已发生多起用电事故，造成直接经济损失十几万元，间接损失更是无法计算。
2.1.2 经测量天源管件铸造有限公司800KVA中频炉投入使用时，其电流谐波5、7、11、13以及25、26、27、28等次严重超标，总谐波电流超过320A，造成上述各次电压谐波也严重超标，对线路内其他用户的用电安全构成了严重威胁。
2.2 谐波及无功治理目标
2.2.1 谐波电压
通过冶理，注入系统公共连接点（P.C.C点）10k母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率均满足中华人民共和国《电能质量公用电网谐波》[1]（GB/T 14549－93）的要求。
2.2.2 谐波电流
通过冶理，注入系统公共连接点（P.C.C点）10k母线的各次谐波电流满足中华人民共和国《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549－93）的要求。
2.2.3 功率因数
10kV母线经低压补偿后0.95≤cosΦ＜1。
2.2.4 10kV母线电压波动和闪变满足GB 12326-2008《电能质量电压波动和闪变》[2]中的要求。
2.2.5 降低损耗
安装补偿装置后，从计量点到安装点线路的功率因数从0.4补偿接近0.9时，线路的有功损失降低率为：
（提高供用电系统及负载的功率因数，如果计量点的功率因数达到0.95时，获得奖励电费，减收月电费额的0.75%。）
3 谐波治理方案
提高功率因数，降低无功损耗，一般做法是装设并联电容器，而要对谐波进行过滤，主要是用串联电抗器来完成。
3.1 采用装设并联电容器
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流也会随之增大，使电容器损耗功率增加。对不同介质的电容器，虽然谐波时的功率损耗允许比无谐波时功率损耗高（对膜纸复合介质的电容器，谐波时允许的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；全膜介质的电容器，谐波时允许的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.43倍），但无论哪种介质的电容器，如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过规定值，造成电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右，在谐波严重的情况下，易引发电容器鼓肚、击穿或爆炸。
根据现场谐波测试数据可以看出，设备运行时在电网上产生大量低次及高次谐波，若直接投入并联电容器，往往会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，造成谐波放大，使得其危害也放大，甚至造成电容器、投切开关等设备烧毁。
3.2 采取装设串联电抗器
采取装设串联电抗器的方法，可以有效抑制低次（5、7、11、13次）谐波分量及涌流的发生，而对高次谐波效果并不明显，供电所人员经过仔细研究，决定对高次谐波采用有源电力滤波器进行滤除，以保证并联电容器的安全运行。
3.3 最终设备选取方案
通过分析比较，供电所人员决定采用低压模块化动态无功补偿装置进行无功补偿，该装置是专门针对有谐波的系统进行无功补偿而设计的，能够自动跟踪并调整负载无功功率变化，使系统的功率因数保持在最佳状态。同时，采用KAPF系列有源电力滤波器进行滤波，自动跟踪负载的各次谐波变化进行滤波，使电网谐波电流保持在规定范围之内。
3.3.1 有源滤波器简介
有源滤波器系统结构示意图如图2所示。有源滤波器并联在电网Source和负载Load之间，负载Load是一个非线性负载，其负载电流上含有大量的谐波成分。通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后输出PWM信号给内部IGBT，使得逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流ish注入到电网中，使得流入电网的电流为纯净的正弦波电流，从而达到滤波的目的。
图2 有源电力滤波器系统结构示意图
有源电力滤波器具有对各次谐波进行动态补偿、不易受电网阻抗及电网频率变化的影响等优点，可同时对无功功率进行动态补偿，并且所需贮能元件容量不大。其补偿特性优异，可同时滤除2～50次谐波，也可选择或剔除2～50次内的指定次数谐波补偿。有源滤波器以其卓越的谐波滤波特性，为配电网络中的各个负载提供理想的电源支持，大幅度降低了设备故障率，故而得到了社会广泛应用。
3.3.2 低压模块化动态无功补偿装置简介
传统的无功补偿装置由于结构单一，器件安装固定，空间利用率不高，不能灵活改变补偿方式或增减补偿容量，维修维护不方便。 低压模块化动态无功补偿装置采用单元式结构的无功补偿模块，组装与拆卸灵活，维修维护方便。每个无功补偿模块由电容器、电抗器、投切开关、熔断器等组成，集中装配在一个小的安装结构内，形成一个单元，几个单元可像搭积木一样组合并安装到同一个柜内，从而可拼装成不同容量的无功补偿装置，这种结构称为单元式结构。单元式结构具有结构紧凑、整洁美观、易于集约化生产，组装快捷方便，便于维修维护等优点，其优越性是传统结构所无法比拟的。
采用的AXEDK型动态无功补偿监控终端采用多任务操作系统内核，实现了微秒级的快速投切，主要应用于三相四线制的配电网，监测配电变压器、配电线路运行状态和补偿电网无功。可根据无功功率大小，功率因数和电压范围，自动控制电容器投切进行补偿，能够有效地提高供电电压质量、提高配电网络的安全稳定及经济运行水平。（安装示意图如图2）
低压模块化动态无功补偿装置具有可靠性高、自动化程度高、电容控制算法先进、具有保护和故障诊断功能等优点外，还具有显示功能及事件记录、统计功能，安装维护方便，确保电网安全。
3.3.3 其他控制器及开关元器件
经过产品比较，控制器采用能抑制谐波干扰的ZYDK-12型无功补偿控制器，投切开关采用晶闸管，每路加装7%电抗器可抑制5次-13次谐波对电容器的不利影响，可有效改善电能质量,保证设备正常运行。加配电抗器运行后在电容器的两端电压会相应升高，所以电容器的额定电压等级也要相应提升才可使电容器在额定电压下长期稳定可靠的运行。
图3 模块安装示意图
AXEWK型晶闸管开关是接受触发信号对电容器进行快速投切的电子型功率器件。该装置安装、接线、维护简单方便，投切电容快速安全，并且无机械触点，无电弧重燃，避免了过电压的产生。
综上所述，设计方案如下：
4谐波治理效果
经与用户协商，昌乐天源管件铸造有限公司同意在配电室安装1台无功补偿及有源电力滤波器装置。6月份，经供电所人员进行设备安装、调试，设备顺利投入使用。
无功补偿及有源电力滤波器装置使用之后，之前用户反映的问题再也未出现过，各台区用电稳定，电气设备使用均正常。即使在夜间，铸造厂中频炉投入使用之后也未发生过电气设备异常事故，证明本次谐波治理取得了圆满成果。供电所又对天源管件铸造有限公司及天泰能源加气站附近检测谐波情况，结果显示波形已正常。（如图4）
图4 检测波形图
5 结论
谐波关系到电力客户的用电安全，谐波治理同样关系到电力企业的社会形象。随着大量电气设备的应用，不可避免还会出现谐波的问题，怎样正确面对谐波源、如何因地制宜治理谐波以及如何与客户做好沟通治理，是每一个电力企业都应面对的重要问题。认识到这一点，谐波治理便不再是一道难题，反而会成为电力企业巩固坚强电网的一种手段。
参考文献
[1]中华人民共和国《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549－93）.国家技术监督局1994.3
[2]《电能质量电压波动和闪变》GB 12326-2008.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.2008.6
[3]许世辉，马志广，王东军，肖苏力.配电线路运行.中国电力出版社.2010.9
作者简介
刘学军：1970年10月，男，汉族，山东省潍坊市昌乐县，大学本科，配电线路高级技师，国网山东昌乐县供电公司营丘供电所从事供电所技术工作。
论文作者:刘学军
论文发表刊物:《电力设备》2016年第15期
论文发表时间:2016/11/5
标签：谐波论文; 电容器论文; 供电所论文; 电网论文; 电压论文; 电流论文; 滤波器论文; 《电力设备》2016年第15期论文;