1 前言
通信樞紐機房隨著非線性用電設備的大量投運，造成了電網諧波分量所占比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網保護裝置的正常運行，威脅網絡安全運行，因此諧波必須進行治理。
2 通信樞紐機房電力系統(tǒng)中諧波的主要來源與測試
2.1 諧波的來源
⑴ 發(fā)電設備
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設備，由于發(fā)電機轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)出的電壓波形不可能是非常完美的正弦波。
⑵ 輸配電系統(tǒng)產生的諧波
變壓器的電源側電壓超過額定電壓10% 以上時，也會使二次側電壓的3 次諧波明顯增加。
⑶ 用電設備產生的諧波
由于電網電壓偏移在±7％以下，所以發(fā)電、變電設備產生的諧波分量都較小。因此，發(fā)電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類。
① 電弧加熱設備，如電焊機等。
② 交流整流的直流用電設備，如電力機車、電解、電鍍等。
③ 交流整流再逆變用電設備，如變頻調速器等。
④ 開關電源設備，如電子整流器等。
2.2 通信樞紐機房諧波設備的情況
通信樞紐機房內由于負載供電的不可間斷性，使用了大量UPS 和開關電源，這些設備輸入級均為三相整流，產生大量諧波。開關電源、UPS 設備先把交流整流成直流，再通過二次變換，變成相應的直流與交流。期間通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射高頻的諧波至電源。造成配電變壓器的中心線電流居高不下，諧波還會通過配電變壓器污染到電網。
2.3 某樞紐樓中一個機房設備使用與諧波測試情況
⑴ 某樞紐樓中一個機房內設備情況
⑵ 某樞紐樓一個機房諧波測試情況
3 諧波污染的危害
3.1 增加輸電、供電和供用電設備的附加損耗
使設備過熱，降低設備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗和電能損耗，使導體嚴重發(fā)熱。
⑴ 對變壓器的影響
諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3 次及其倍數次諧波，對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，導致繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，可能形成3 次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加，浪費電力資源。
⑵ 對輸電線路的影響
由于供電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗也增加。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產生諧波的設備形成串聯回路或并聯回路時，在一定的參數匹配條件下，會發(fā)生串聯諧振或并聯諧振。一般情況下，并聯諧波的諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害較大。當注入電網的諧波頻率位于網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，會激勵電感、電容產生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大，將會引起繼電保護裝置出現誤動作，以至于導致損壞設備，與此同時還產生相當大的諧波網損，造成絕緣被擊穿的事故。
⑶ 對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高，一方面會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命；另一方面，電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路，諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等原因而不能正常地運行。
3.2 影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性
諧波對供電系統(tǒng)中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加諧波的干擾，則會引起負序電流保護誤動，如果誤動作后引起跳閘，則后果會相當嚴重。
3.3 使測量和計量儀器的指示和計量不準確
由于電力計量裝置都是按50Hz 標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電表的正常工作。
3.4 干擾通信系統(tǒng)的工作
供電線路上流過的3 次、5 次、7 次、11 次、13 次等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，不但在鄰近供電線路的通信線路中會產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在某些情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外，換相過程中產生的電磁噪聲會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網運行的安全。
3.5 對供用電設備的影響。
諧波的干擾會使計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，設備內的元件出現過熱，從而使計算機及數據處理系統(tǒng)出現錯誤。對于帶有提高功率因數用的電容器的設備來說，因為在一定參數的匹配下，會形成某次諧波頻率下的諧振，使電容器因過熱而損壞。會導致供電的高低壓供電系統(tǒng)上的漏電裝置誤動作，嚴重影響供電安全。
4 諧波治理方法
目前，機房諧波治理可以區(qū)域集中治理和非線性用電設備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應該在非線性用電設備處分散治理，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。
4.1 無源濾波器
通過L、C 串聯或并聯，使其在某次諧波產生諧振，當發(fā)生串聯諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，工作原理如圖2 所示。
其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而存在以下缺點：
⑴ 只能量身定做，消除特定的某幾次諧波，而對其它某些次諧波可能會產生放大作用；
⑵ 屬于靜態(tài)補償，當負荷變動，特別是諧波分量變動時，經常出現相位過補償而導致線路諧振的可能；
⑶ 諧波電流增大時，濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載損壞甚至起火；
⑷ 不便于擴容，當用戶負載出現大幅度變更時，原有濾波器將不能使用，必須重新更換合適的濾波器。
4.2 有源濾波器
有源濾波器的基本工作原理是把電源側的電流波形與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進行補償。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點。這一技術在諧波治理上占主導地位，是諧波治理的發(fā)展方向。其具體特點如下：
⑴ 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；
⑵ 具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化的諧波；
⑶ 能有效地降低因高次諧波電流導致的設備和線路損耗；
⑷ 并聯型濾波器可多級并聯，解決大容量和擴容問題。有源電力濾波器工作原理如圖3 所示。
通過檢測被補償對象的電流瞬時值，經指令電流運算電路得出諧波補償電流的指令信號，控制變流器產生所需要的補償電流。補償電流與負載電流中要補償的諧波成份及無功電流相抵消，最終獲得期望的電源電流。
5 諧波治理效果
5.1 諧波治理后的情況
目前，在樞紐樓的諧波治理主要采用有源濾波器的方式。有源濾波器投入后一般達到如下的效果：
⑴ 總電壓畸變率THDV% 低于5%（會存在測試誤差1%內）；
⑵ 總電流畸變率THDi% 低于5%（會存在測試誤差1%內）；
⑶ 功率因數0.95 以上（會存在測試誤差0.1 內）。前述某樞紐樓諧波治理后的數據列于表1。
5.2 諧波治理情況分析
從表3 可以看出，各安裝點相線電流下降10% 左右，零線電流下降幅度從33.3% 到78.6% 不等；零地電壓全部下降，下降幅度從4.8% 到25% 不等。有源電力濾波器不僅可以治理諧波電流、就近補償被治理設備的功率因數，還可以解決零線電流問題，進而解決零地電壓問題，因此可以極大地改善電力線路的輸電效率，保證設備的運行與供電安全?？傮w而言，只要諧波治理接入點選擇合適，能綜合節(jié)能約2% ～ 15%。治理效果達到預期，治理的某點測試原始數據分別示于圖4、圖5、圖6、圖7。
6 諧波治理的意義
當前節(jié)能已成為各單位的重要工作。從以上電力諧波治理的情況可以看出，電力有源濾波設備可以對電氣設備產生的各種類型諧波進行有效的濾除，使得電網凈化。降低電流波形畸變，包括高頻電流在電路和電氣設備中的損耗，實現節(jié)能目的。
用改善波形實現節(jié)能的效果問題，是一個與當前諧波電流大小、電網阻抗特性和負載性質復雜相關的問題，其節(jié)能效果很難準確預測。其節(jié)能主要來源于電力線路損耗、變壓器接觸器類感性元件的線損和鐵損、電容器件的介質損耗等等。電力諧波治理的附加節(jié)能效果，與諧波治理設備的現場安裝位置有關。一般而言，對諧波源負載進行就近治理，線路阻抗越大、線路越長、線路中串聯感性元件越多、并聯的電容越多，節(jié)能效果越好。局限于諧波源負載附近安裝位置的限制時，也可考慮采取區(qū)域性治理。節(jié)能效果最差的是在低壓配電室靠近變壓器端的治理，這是因為從低壓配電到負載端的諧波仍然很大，由諧波引起的線損、感性元件的線損和鐵損、電容器的高頻介質損耗仍然存在，只有諧波治理接入點到變壓器端的諧波很小，從變壓器到治理接入點之間才具備節(jié)能效果。
因為有源電力諧波濾波器不僅可以治理諧波電流，還可以就近補償被治理設備的功率因數。因此，可以極大地改善電力線路的輸電效率?？傮w而言，只要諧波治理接入點選擇合適，能綜合節(jié)能約2% ～ 15%。
7 結束語
隨著電網的不斷發(fā)展，大型非線性設備或電子器件大量的使用，使電網產生諧波更大，在供電系統(tǒng)中進行諧波治理有不少困難，為了使通信網絡安全可靠供電，針對具體系統(tǒng)采取有效的措施綜合治理諧波，對提高功率因數節(jié)約能源，改善供電質量有著十分重要的意義。