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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)許多新的電廠和輸電線路，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，非線性負(fù)荷是配電網(wǎng)諧波的主要產(chǎn)生因素。非線性負(fù)荷吸收電流和外加端電壓為非線性關(guān)系，這類負(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作諧波。
非線性負(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)，需要了解諧波類型。諧波按其性質(zhì)和波動(dòng)的快慢可分成四類：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。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：非線性時(shí)域仿真、非線性和線性頻率分析。三種方法的相同點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)作適當(dāng)?shù)木�性化處理，只是在處理非線性設(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，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，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線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、充電裝置、開關(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：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。可歸納以下治理措施：
(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)期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。對(duì)電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對(duì)于供電部門而言，可以評(píng)估電力用戶的用電設(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，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，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的事情，是一種單邊行為，就此而言，作為電力歸口管理部門有必要加強(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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