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配電網(wǎng)諧波的治理論文
摘要：經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展帶來(lái)供電緊張，為解決供電緊張，一方面要建設(shè)許多新的電廠(chǎng)和輸電線(xiàn)路，另一方面要高效利用現(xiàn)有的電力資源，減少電力損耗。諧波是導(dǎo)致電力損耗增加，供電質(zhì)量下降的重要因素。本文分析諧波基本性質(zhì)和測(cè)量方法，對(duì)配網(wǎng)中諧波的來(lái)源和危害進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，總結(jié)和提出了治理諧波的若干方法。
關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量 諧波治理 配電網(wǎng)
供電質(zhì)量包括系統(tǒng)電壓、頻率的合格率，峰值、超限電壓持續(xù)時(shí)間、停電時(shí)間，以及電網(wǎng)諧波含量等諸多方面。其中，諧波問(wèn)題一直是主要的電能質(zhì)量問(wèn)題。諧波存在于電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、供、用的各個(gè)環(huán)節(jié)。治理好諧波，不僅能降低電能損耗，而且能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，改善電磁環(huán)境，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。
1 電力系統(tǒng)諧波的基本特性和測(cè)量
諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)。理論上看，非線(xiàn)性負(fù)荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線(xiàn)性負(fù)荷吸收電流和外加端電壓為非線(xiàn)性關(guān)系，這類(lèi)負(fù)荷的電流不是正弦波，且引起電壓波形畸變。周期性的畸變波形經(jīng)過(guò)傅立葉級(jí)數(shù)分解后，那些大于基頻的分量被稱(chēng)作諧波。
非線(xiàn)性負(fù)荷除了產(chǎn)生基頻整次諧波外，還可能產(chǎn)生低于基頻的次諧波，或高于基波的非整數(shù)倍諧波。電力系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)短路、開(kāi)路等事故，而導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入暫態(tài)過(guò)程引起的諧波，將不歸屬諧波治理的范疇。 要治理諧波改善供電品質(zhì)，需要了解諧波類(lèi)型。諧波按其性質(zhì)和波動(dòng)的快慢可分成四類(lèi)：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波、波動(dòng)諧波、快速變化的諧波和間諧波四類(lèi)。因其多樣性和隨機(jī)性，在實(shí)際工作中，要精確評(píng)估諧波量值非常困難，所以在IEC 6100-4-7標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)前三類(lèi)諧波進(jìn)行了規(guī)定，推薦采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)諧波進(jìn)行測(cè)量。兼顧數(shù)理統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)壓縮的需要，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量時(shí)段以及通過(guò)測(cè)量值計(jì)算諧波值提出了表1建議。
國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993采用觀(guān)察期3s有效測(cè)量的各次諧波均方根值的95%概率作為評(píng)價(jià)諧波的標(biāo)準(zhǔn)。為簡(jiǎn)便實(shí)用，將實(shí)測(cè)值按由大到小的方式排序，在舍去前5%個(gè)大值后剩余的最大值，近似作為95%的概率值。
實(shí)際工作中，通常采用諧波測(cè)試儀來(lái)監(jiān)測(cè)和分析諧波。一般來(lái)說(shuō)，將用戶(hù)接入公用電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)作為諧波監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量該點(diǎn)的電壓和注入公共電網(wǎng)的電流后，通過(guò)對(duì)電壓和電流的分析，取得諧波測(cè)量資料。
相對(duì)單點(diǎn)的諧波測(cè)量而言，從區(qū)域或整個(gè)電網(wǎng)角度來(lái)看，諧波源的定位和確定諧波模型進(jìn)而分析它是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程。諧波源定位，一般采用功率方向法和瞬時(shí)負(fù)荷參數(shù)分割法。而諧波模型分析的方法一般有三種：非線(xiàn)性時(shí)域仿真、非線(xiàn)性和線(xiàn)性頻率分析。三種方法的相同點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)作適當(dāng)?shù)木�(xiàn)性化處理，只是在處理非線(xiàn)性設(shè)備時(shí)采取了不同的模擬方式。
2 配網(wǎng)中的諧波源
嚴(yán)格意義上講，電力網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產(chǎn)生諧波，其中產(chǎn)生諧波最多位于用電環(huán)節(jié)上。
發(fā)電機(jī)是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機(jī)三相繞組必須完全對(duì)稱(chēng)，發(fā)電機(jī)內(nèi)的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產(chǎn)生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面的限制，發(fā)電機(jī)總會(huì)產(chǎn)生少量的諧波。
輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)特性以及額定工作磁密位于磁化曲線(xiàn)近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性就越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。
用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設(shè)備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產(chǎn)生一定量的諧波。
晶閘管整流技術(shù)在電力機(jī)車(chē)、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，從電網(wǎng)吸收的是半周正弦波，而留給電網(wǎng)剩下的半周正弦波，這種半周正弦波分解后能產(chǎn)生大量的諧波。有統(tǒng)計(jì)表明，整流設(shè)備所產(chǎn)生的諧波占整個(gè)諧波的近40%，是最大的諧波源。
變頻原理常用于水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備中，變頻一般分為兩類(lèi)：交-直-交變頻器和交-交變頻器。前者將380V 50Hz工頻電源經(jīng)三相橋式可控硅整流，變成直流電壓信號(hào)，濾波后由大功率晶體開(kāi)關(guān)元件逆變成可變頻率的交流信號(hào)。后者將固定頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成相數(shù)一致但頻率可調(diào)的交流電。兩者均采用相位控制技術(shù)，所以在變換后會(huì)產(chǎn)生含復(fù)雜成分(整次或分次)的諧波。因變頻裝置一般具有較大功率，所以也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。
充氣電光源和家用電器更是常見(jiàn)的諧波源，如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應(yīng)用氣體放電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線(xiàn)性特征。計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動(dòng)機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。這類(lèi)設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。
3 諧波在配網(wǎng)中的危害
諧波對(duì)于配電系統(tǒng)的影響，表現(xiàn)在對(duì)線(xiàn)路上所配置的保護(hù)及測(cè)量設(shè)備的影響。因這些設(shè)備一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)繼電器元件，容易接受諧波干擾而誤動(dòng)和拒動(dòng)，系統(tǒng)中存在的不明原因的誤動(dòng)和拒動(dòng)，與諧波不無(wú)關(guān)系。所以諧波超標(biāo)，會(huì)嚴(yán)重威脅配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
諧波會(huì)大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲，會(huì)使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，影響工作人員的身心健康。對(duì)于電力電容器，諧波會(huì)導(dǎo)致端電壓升高，損耗加大，電容器發(fā)熱，加速老化，從而縮短使用壽命。
配網(wǎng)中使用大量異步電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生的諧波會(huì)增加附加損耗。負(fù)序諧波產(chǎn)生的負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，影響電動(dòng)機(jī)的有功出力。對(duì)斷路器而言，無(wú)論其構(gòu)成元件為電磁的、還是熱磁的、亦或電子的，都可能受諧波的影響誤動(dòng)。
電能表是評(píng)價(jià)電能消耗重要而基本的測(cè)量工具，是用戶(hù)繳費(fèi)的憑證，而諧波可能使電能計(jì)量產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致計(jì)量混亂。同樣，諧波也是引起錄波裝置誤啟動(dòng)，保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)的重要因素。
此外，諧波會(huì)通過(guò)靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及傳導(dǎo)等多種方式耦合進(jìn)通訊系統(tǒng)，影響它們的正常運(yùn)行。對(duì)于人體，諧波會(huì)刺激人體細(xì)胞，使正常的細(xì)胞膜電位發(fā)生快速波動(dòng)或可逆的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)這種波動(dòng)或翻轉(zhuǎn)頻率接近諧波頻率時(shí)，會(huì)影響人體大腦與心臟。
4 配電網(wǎng)諧波治理的對(duì)策
既然諧波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波，就顯得尤為重要�？蓺w納以下治理措施：
(1)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)規(guī)范的宣傳貫徹。IEC 6100以及國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993，對(duì)于諧波定義、測(cè)量等進(jìn)行了宣傳，明確諧波治理是一項(xiàng)互惠互利、節(jié)能增效，是保證電網(wǎng)和設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的舉措；
(2)主管部門(mén)對(duì)所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測(cè)量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長(zhǎng)期觀(guān)察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。對(duì)電力用戶(hù)而言，可以監(jiān)督供電部門(mén)提供的電力是否滿(mǎn)足要求；對(duì)于供電部門(mén)而言，可以評(píng)估電力用戶(hù)的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。
(3)針對(duì)諧波的產(chǎn)生和傳播的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的隔離、補(bǔ)償和減小措施。在配電網(wǎng)中，主要存在的是三次諧波污染，可以在諧波檢測(cè)的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)加裝濾波設(shè)備來(lái)減小諧波注入電網(wǎng)。對(duì)于各種電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)者，在設(shè)計(jì)初始，就要考慮其設(shè)備的諧波污染度，將諧波限制在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。
(4) 加強(qiáng)管理，多方出資，共同治理。諧波的治理，需要大量的投資，不能僅僅靠供電部門(mén)，要調(diào)動(dòng)電力供需環(huán)節(jié)中的各個(gè)方面，在分清諧波來(lái)源基礎(chǔ)上，走共同治理之路。
5 結(jié)論
諧波治理是綜合治理過(guò)程，是改善供電品質(zhì)的重要手段。GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》對(duì)電網(wǎng)各級(jí)電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制，對(duì)用戶(hù)注入公用電網(wǎng)的諧波電流也進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定，在主網(wǎng)、城網(wǎng)中，諧波治理有明確的規(guī)定和要求，而日益發(fā)展的農(nóng)村電網(wǎng)對(duì)有關(guān)諧波的治理并未引起足夠的重視，認(rèn)識(shí)還有待提高。目前農(nóng)網(wǎng)中的高壓配電的許多用戶(hù)，對(duì)諧波的危害也沒(méi)有引起足夠的重視，往往認(rèn)為諧波治理是電力部門(mén)的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門(mén)有必要加強(qiáng)諧波治理方面的宣傳，強(qiáng)調(diào)諧波治理的重要性和投資回報(bào)。在對(duì)諧波準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)上，提出適合用戶(hù)的治理方案。這樣做，不僅能夠改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長(zhǎng)用戶(hù)設(shè)備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。
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