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摘要：本文针对福利区电力系统谐波污染产生的危害及目前常用的治理技术进行分析，通过对福利区电力系统谐波测试，综合考虑安全及经济要求，提出适合福利区供电系统谐波治理的解决方案，通过低压侧就地治理及高压侧集中治理两种方式进行谐波治理，达到福利区供电系统安全及经济运行的效果。
关键词：谐波治理；有源滤波器；无源滤波器；集中治理；就地治理
1 谐波的危害
随着用电设备日趋复杂化与高端化，大量大功率电机、中频炉、风机、泵类等动力负荷投入生产，同时还有大量的照明、计算机等自动化的控制与操作投入，在生产效率提高的同时也带来了另一个负面效应，即这些负荷所产生的谐波电流成为了系统中主要谐波源，非线性负荷向电网系统注入了大量的谐波，对电网环境产生污染，对电网设备产生危害。主要表现在：
1.1 对输电线缆的影响
谐波电流流过导体表面时会产生集肤效应和邻近效应。电流频率越高，导体的电导率和磁导率越大，趋肤厚度就越小，这时只要导体的截面积稍大，集肤效应就会相当严重，使导体的电阻增大；电流频率愈高，导体靠得愈近，邻近效应愈显著。邻近效应和集肤效应是共存的，它会使导体中电流的分布更加不均匀，使导体的电阻更加增大。
以上两种现象都会使线路或设备产生更多的附加发热，从而影响绝缘寿命。除此之外，由于谐波电流会产生较高频率的电场，这种情况下绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升增加，也会影响绝缘寿命。
1.2 对变压器的影响
对于供给不对称负荷的变压器，如果负荷电流中含有直流分量，则它将使变压器磁路的饱和度提高，从而使交流励磁电流的谐波分量大大增加。谐波的存在增加了变压器磁滞损耗、涡流损耗以及绝缘的电场强度，同时增加了铜损。
1.3 对无功补偿电容器的影响
电力谐波和电容器之间的作用是相互的，它不仅在电容器中产生额外的电力损耗，而且可能与电容器一起产生串联或并联谐振。
在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这往往导致电容器的损坏，造成无功补偿无法工作，引起系统工作不稳定，甚至断电的可能。
2 谐波治理技术
2.1 谐波解决方案
解决电力电子装置及其它谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，如变频器、UPS不间断电源等。
2.2 谐波治理设备介绍
目前常见的谐波治理设备主要分两种：无源滤波器（LC滤波器）、有源电力滤波器。在电力电子技术快速发展的时代，有源电力滤波器以先进的技术优势将取代传统无源滤波器。
随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：
滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；
具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。
有源电力滤波器由分为两种：并联型有源电力滤波器及串联型电力滤波器，并联型电力滤波器主要解决谐波电流问题；串联型电力滤波器主要解决谐波电压问题。它们的原理基本相同，并联型有源滤波器检测负载电流，通过相应算法计算出其谐波电流，然后发出与负载谐波电流大小相等、方向相反的电流，与负载谐波电流相互抵消，以达到减小电网侧谐波电流的目的，其工作原理如下图所示：
图1 有源滤波器工作原理图
通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得期望的电源电流。
3 实测数据分析
3.1 福利区变电所高压测试数据
图2 福利区变电所系统图示
说明：福利区变电所高压6KV系统主要为福利区生活生产供电，其下连接大功率负载少，系统中有容量为4000KVA的变压器2台，采用一主一备运行方式。
测试时，1#变压器开启运行，2#变压器停止关闭。母联闭合。测试地点位于1#变压器电压电流互感器二次侧处。
测试数据如下表：
通过上述测试数据
电流波形存在明显的畸变变形。这主要是因为谐波造成的。系统中存在大量的3、5、7次谐波电流。总电流畸变率达到5.7%。
原因分析：经对所带负荷进行分析，低压系统中的谐波随电缆反馈注入到高压6KV系统，对电网环境造成污染。谐波污染源主要为为福利区供水泵房的的变频泵。
3.2 福利区水厂泵房低配室测试数据
说明：
福利区水厂配电室共计变压器两台，容量为750KVA。一主一备，母联断开。负载为水泵，共计7台，平时只开2台。测试时也是有2台水泵电机开启。
测试数据
福利区水厂低压配电室测试数据如下表
电压波形发生轻微畸变，电流波形畸变非常严重。
电压畸变率为3.8%。
电流畸变率达到了25.6%。各次谐波含量很大。超出国家相关标准。
建议对此变压器系统进行谐波治理。
4 治理方案
4.1 方案目标
相电流总谐波电流大幅度降低，在不超出滤波器容量情况下谐波滤除率大于80%。
系统相电流谐波含量和电压谐波总畸变率达到国标要求。
4.2 福利区变电所谐波治理装置选型
为了在以后负载率增大的情况下有效的对谐波电流进行治理，同时考虑负载波动范围内治理效果，在高压6KV主变压器处加装1套有源电力滤波器，型号为SPA-18A/6，即3台低压150A的滤波器，用谐波变压器提升到6KV高压环境。
4.3 福利区水厂低压配电室谐波治理
● 福利区水厂配电系统谐波治理装置选型
测试时。只开2台泵，负载率很低。为了防止以后两台变压器交替使用，负载率增大的情况下有效的对谐波电流进行治理，同时考虑负载波动范围内治理效果，建议在每台变压器低压侧各加装1台200A的有源电力滤波器，型号为SPA4-200A/0.4。
所以，福利区水厂配电室需要加装2台有源电力滤波器。
4.4 设备安装方式
高压侧（6KV）有源滤波设备安装方式
在高压侧，应用有源电力滤波器治理谐波，通过高压变压器升压至高压环境，使设备达到良好工作环境，将设备并联接入高压负载进线侧。此连接方式优点在于用高压变压器将系统与滤波装置隔离开，防止突发情况影响系统安全。并联接入不影响其他用电设备正常工作。
低压侧（0.38KV）有源滤波装置安装方式
在低压侧，应用有源电力滤波器治理谐波，将滤波装置直接并联接入低压负载进线母排上。滤波器安装方式如图5所示：
5 经济节能效应分析
针对福利区供电系统高低压配电室系统谐波治理的开展，净化电能、节能减排的目标越来越明晰。节能减排、节省经济包括三个方面：一是延长变压器寿命；二是线损降低；三是由于功率因数提高。采用有源滤波器之后，可以一定量的降低线路功率损耗，提高功率因数，从而达到节省电费的目的。有源电力滤波器的使用，能从以下几个方面产生经济效益：
1）降低线缆损耗。保证线缆的完好畅通是保证生产及工作的前提，谐波的滤除可以降低系统的电流有效值从而降低一部分电能的浪费，其次谐波会造成系统电缆的过度发热，谐波的发热效应为工频电流的数倍，因此滤除谐波可以大大降低在输电过程中线缆的热损耗，延长线缆的使用寿命。
2）降低变压器损耗。福利区供电系统配电系统中变压器数量诸多，对工作生产用电起到重要作用。谐波会造成变压器的额外发热，甚至震动。滤除谐波电压可以减少变压器磁滞损耗、涡流损耗以及绝缘的电场强度。滤除谐波电流可以减小变压器铜损。谐波的滤除直接降低变压器的维护成本，从而延长变压器的使用寿命，大力节俭电力成本的投入。
3）减少断路器及继电保护装置的故障率。滤除谐波可以解决系统暂态过电压的问题，从而保护了断路器和继电保护装置元器件不会因暂态过电压为烧毁。节省了额外的维护费用。使用有源电力滤波器滤除谐波后，能提高整个继电保护系统运行的稳定性和安全系数，对于像数据中心这种安全等级要求较高的场合，尤其重要。即在该保护的时候及时保护，在不用保护的时候也不会发生跳闸事件，避免了电力事故造成经济损失的发生。
4）减少无功补偿装置的损坏：谐波易使电容补偿装置谐振烧毁，导致元器件经常性损坏。造成更换维修元器件的成本增加。
6 安全效应分析
对有源电力滤波器来说，其主要的优势在于对供配电系统的安全效益方面的体现。就福利区供电系统而言，减小谐波对输电线缆的影响，避免其过载发热烧毁，造成线缆浪费。再就是减小变压器损耗，降低其发生电力火灾的可能性。减少电容器件烧坏、爆炸等恶劣问题的发生。切实从实际角度说明有源电力滤波器对于系统安全保障的重要性。同时也可从以下方面说明安全效应问题：
1）减少服务器故障几率。高频率的谐波会造成服务器及计算机的数据丢失、错误及存储介质的损坏，会造成服务器开关电源过电压损坏进而引起服务器停机或烧毁。进行谐波治理后可彻底消除引起的这些威胁。
2）减少谐波对生产设备的损害。谐波会对用电负荷的电源造成额外损伤，导致电源功率下降、电压不稳甚至烧毁，设备停止、或者超功率运行等。
3）谐波对精密仪器的精度产生影响。谐波会对基地储存信息的重要精密工具产生干扰，阻止重要信息储存的及时性和准确性。
有源电力滤波器的作用是提高配电系统整体的稳定性和安全性，特别对福利区供电系统而言，稳定和安全是要谨记的。由于谐波的危害是严重的，对与线缆、变压器、无功补偿装置等设备的侵扰非常厉害。因此有源电力滤波器对于系统谐波良好的滤除，保障了设备的稳定运行和电网系统的安全。
参考文献：
[1]王兆安，杨军等，谐波抑制和无功功率补偿，北京：机械工业出版社，2010
[2]简树森，电力系统谐波产生、危害、检测与治理的研究[J]，民营科技，2011
[3]范丽敏，电力系统谐波检测和治理[J]，民营科技，2011
[4]国家技术监督局发布，国家标准GB/T1454993《电能质量公用电网谐波》，2011
[5]钱照明，叶忠明等，谐波抑制技术[J]，电力系统自动化，2005
[6]李承，皱云屏，有源电力滤波器抑制谐波的机理分析[I]，电力系统自动化，2005
论文作者:吴九福,何建星
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/6/25
标签：谐波论文; 滤波器论文; 电流论文; 变压器论文; 电力论文; 福利论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第8期论文;