諧波的定義

 

    諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據法國數(shù)學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證實，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、14，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。

 

    2 諧波的危害

 

    理想的電網所提供的電壓，應該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值，但當一用戶設備產生較大諧波電流時，對電網是一種污染，它使本身設備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的用戶和公共電網設備帶來危害，大致有以下幾個方面：

 

    2.1 諧波使電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率(如電流諧波增加了電動機的銅耗、電壓諧波增加了電動機的鐵耗等)。大量的3次諧波流過中性線時會使線理路過熱甚至發(fā)生火災。

 

    2.2 諧波影響各種電氣設備的正常工作，諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波也會引致電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

 

    2.3 諧波會引起公用電網中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振從而使諧波放大，這使上述2.1和2.2危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

 

    2.4 諧波會導致繼電，保護和自動裝置誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

 

    2.5 干擾計算機系統(tǒng)正常工作，對電子線路設備造成不穩(wěn)定工作狀態(tài)，嚴重時以致無法正常工作，或因設置的參數(shù)波動較大，影響正常使用。

 

    同時，因系統(tǒng)中諧波電流普遍存在，諧波電流造成的電氣設備故障及受電設備故障與日俱增，對其潛在的危害，容易誘發(fā)事故，提高成本代價，對經濟效益造成損失。據權威部門統(tǒng)計，在我國每年有近數(shù)百億元的損失。種種跡象表明，諧波已逐漸成為影響電網穩(wěn)定運行、劣化電能質量的潛在威脅。

 

    3 諧波干擾實例

 

    案例：鶴山某工廠自投產以來，在供電網正常供電的情況下發(fā)生多次設備自動跳閘故障，造成生產線非計劃停運，給工廠帶來重大的經濟損失。為此，技術人員對廠內供電系統(tǒng)進行了故障分析和研究。根據工廠記錄，導致停電事故的電網瞬間電壓異?，F(xiàn)象，但相鄰的其他工廠同時段并沒有出現(xiàn)相同跳閘故障。經過該廠的用電設備進行了統(tǒng)計和分析，發(fā)現(xiàn)該廠主要生產塑膠印刷制品，屬于連續(xù)性生產企業(yè)，低壓配電網中使用了大量變頻調速電機，可能存在較為嚴重的諧波污染。

 

    為此，在廠內低壓供電系統(tǒng)設了6個監(jiān)測點，包括兩臺專用變壓器的低壓出線和四路饋線，接線圖如圖1-1：

 

    通過連續(xù)的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)6個監(jiān)測點的電流波形頂部都出現(xiàn)了較大的畸變如下圖：

 

    分析圖1-2：電流波形的頂部產生了較大的畸變，波型呈明顯的矩形波，表明電路中存在較多的非線形負載，受其影響電流產生的諧波波成份較多，波形也產生了嚴重的畸變，實測中峰值電流為4.55KA，電壓在325V至-337V之間波動。

 

    分析圖1-3：#1號變壓器出線電流總畸變率達到34.1%，遠超出國家標準的5%。諧波分布主要為3、5、7、9、11次，可能對設備損造成嚴重沖擊。諧波分量主要為高次諧波，諧波的產生使用電設備效率下降，產生能源浪費。

 

    從上述的監(jiān)測結果分析可知，其電網公共接入點諧波含量超標，從波型上看應該是典型的變頻調速裝置造成的。變頻設備雖然會產生容性無功，可抵償部分電感性動力設備的無功需求，但會產生大量的諧和波電流，同時該廠使用了大量的電子式節(jié)能燈具，此類燈具也會對系統(tǒng)產生大量的諧波污染。各類諧波在某瞬間疊加后可能會產生較明顯的浪涌沖擊，由于客戶的設備大多數(shù)使用PLC(Programmable Logic Control的縮寫，意思是可編程邏輯控制器，)，當由于諧波引起的浪涌沖擊嚴重影響了該電子模塊的正常運行，出于設備的自動保護特性，出現(xiàn)設備停機的現(xiàn)象。

 

    4 諧波的治理現(xiàn)狀

 

    4.1 客戶諧波污染問題認識不足

 

    我國1993年頒布GB/T14549《電能質量公用電網諧波》規(guī)定：注入公共連接點的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網的諧波?！兜蛪弘姎饧半娮釉O備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16安)》，要求購置的用電設備，經過試驗證實，符合該標準限值才允許接入配電系統(tǒng)中?！峨姌I(yè)營業(yè)規(guī)則》第5章第55條也明確規(guī)定：電網公共連接點電壓正弦波畸變率和用戶注入電網的諧波電流不得超過國家標準GB/T14549的規(guī)定。用戶具有非線性阻抗特性的用電設備接入電網后運行所注入電網的諧波電流和引起公共連接點電壓正弦波畸變超過標準時，用戶必須采取措施予以消除。否則，供電企業(yè)可中止對其供電。

 

    但在實際工作中，由于客戶都對此認識不足，諧波治理工作往往被認為是供電部門的工作，使客戶端的諧波問題一直得不到有效的控制。當供電部門提出要客戶端進行數(shù)據監(jiān)測時，往往很難得到客戶的支持和配合。

 

    4.2 缺乏有效的管理機制

 

    盡管國家已經明確規(guī)定了，諧波治理依據“誰污染，誰治理”的原則。但由于缺乏有效的制約手段，在實際工作中，供電部門往往只能對有治理意愿的用戶采取措施，用戶處在諧波管理的主導地位，這使客戶端諧波管理顯得十分的被動。

 

    同時，由于諧波治理往往需要投入較大的資金，這使諧波治理面臨著實際運作的困難，目前電網中大量用戶中存在諧波源，但真正落實措施治理的卻屈指可數(shù)。

 

    4.3 缺乏有效的技術支持

 

    諧波治理工作是一項專業(yè)性極強的工作，需要有專業(yè)力量去完成監(jiān)測、分析和治理。而事實上，供電部門，尤其是基層供電單位，極度缺乏此類專業(yè)人才，造成諧波治理工作瓶項。

 

    5 加強諧波治理的措施

 

    諧波治理是個系統(tǒng)工程，諧波問題的解決需要供電部門、用戶及設備制造商的協(xié)調合作。為了減輕和限制諧波的影響，可以從管理措施和技術措施方面加強對諧波治理。

 

    5.1 管理措施

 

    5.1.1 加強對諧波管理工作的常態(tài)化 供電部門必須把諧波管理納入日常的生產管理中，通過制定《客戶端諧波管理辦法》，明確諧波管理的管理機構、管理方式、管理標準等主要方向，從制度上強化諧波監(jiān)督管理。

 

    5.1.2 加強對諧波治理隊伍建設 由于諧波的產生復雜多樣，專業(yè)性、技術性強，因此，必須建立專業(yè)的諧波治理隊伍完成對客戶端諧波的監(jiān)測、分析和治理。對沒有條件建設諧波治理專業(yè)隊伍的，可以選擇與社會上具有較強技術力量專業(yè)機構合作，完成對諧波管理技術支持。

 

    5.1.3 建立設備準入制度 變頻器、整流器的結構、型號各式各樣，生產廠家亦良莠不齊，所以有必要建立供電系統(tǒng)的準入制度，把設計落后的產品、達不到抑諧標準的設備拒于系統(tǒng)外。

 

    5.1.4 建立良好的客戶關系 用電客戶作為諧波治理重要的參與力量，是諧波治理的基礎。大力向用戶宣傳諧波的危害，爭取用戶的支持合作?？赏ㄟ^走訪用戶、舉辦電能質量講座等形式，提高用戶對電力系統(tǒng)的了解及電能質量問題的認識，建立雙贏的供用電關系。

 

    5.2 技術措施

 

    5.2.1 改造整流設備的換流裝置 對于改造整流設備的換流裝置，采取特殊的接線方式或將相數(shù)較少的換流變壓器聯(lián)結成等效的多相形式，增加換流器相數(shù)，或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，有效的消除較大的低次諧波。

 

    5.2.2 動態(tài)無功補償裝置(簡稱SVC裝置) 對于中頻煉鋼爐、電弧爐、電力機車、卷揚機、軋機等用電負荷不穩(wěn)定，變動頻率較高的設備，不僅會產生較強的高次諧波，而且極易引起電業(yè)電壓的波動和閃變。甚至造成系統(tǒng)三相嚴重的不平衡，嚴重影響電網的供電質量。采用SVC與諧波源并聯(lián)，不僅有效的減少諧波量，而且具有抑制電壓波動、閃變，增加系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，保證電網質量的功能。

 

    5.2.3 采取技術措施加強電容器管理 由于當頻率增加時電容性電抗就減少的特性，電容器對供電電壓的諧波分量特別敏感，即相對較小比例的諧波電壓可以引起很大的電流流入電容回路。如果電容器組或電力系統(tǒng)所連接的電抗的自然頻率接近與一個特定的諧波，就會發(fā)生局部諧振，在這種情況下，增高的電流就會引起電容器的過熱，可以采用以下的方法：①并聯(lián)諧波濾波器或諧波抑制電抗器;②有源電力濾波器;③混和濾波器。

 

    5.2.4 交流濾波裝置能夠有效的吸收諧波源所產生的諧波電流，降低諧波電壓，是抑制諧波“污染”的有效措施之一。由于其一般由電容器、電抗器、電阻器等根據一定技術要求組合而成，因其結構簡單，運行可靠，維護方便，一次性投資較少等特點而得到廣泛應用。

 

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