摘  要： 詳細(xì)分析了供電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，并提出了合理的解決方法，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞： 三相橋式整流器；波形畸變；諧波電流；諧波電壓

    電能質(zhì)量的好壞，直接影響工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量。評(píng)價(jià)電能質(zhì)量有幾方面標(biāo)準(zhǔn)，其中一方面就是電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對(duì)稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。
    配電變壓器運(yùn)行時(shí)有一種電能損耗源是諧波電流，其在系統(tǒng)中流動(dòng)會(huì)使變壓器、配電設(shè)備及導(dǎo)線發(fā)熱，由此產(chǎn)生電能損耗。另外，諧波電流會(huì)導(dǎo)致諧波電壓的產(chǎn)生，從而引起高次諧波電壓畸變。我國(guó)頒布的GB/T14549-93《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)質(zhì)量》［1］標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)高次諧波電壓(相電壓)限值有嚴(yán)格規(guī)定：額定電壓為0.38 kV的電網(wǎng)中，電壓總諧波畸變率不得超過(guò)5.0%，各次諧波電壓含有率的奇次不得超過(guò)4.0%，偶次不得超過(guò)2.0%。同時(shí)還規(guī)定高次諧波電壓對(duì)電網(wǎng)的沖擊持續(xù)的時(shí)間不超過(guò)2 s，且兩次沖擊之間的間隔時(shí)間不小于30 s。
1 供配電系統(tǒng)中的諧波現(xiàn)象
    某大型企業(yè)的10/0.4 kV變配電系統(tǒng)是由第一、第二兩個(gè)變電所組成。兩個(gè)變電所都是采用兩臺(tái)變壓器分列運(yùn)行方式，如圖1所示。第二變電所的二號(hào)變壓器由10 kV高壓304斷路器控制，0.4 kV低壓由11DP輸出總屏控制，10DP為與一號(hào)變壓器輸出的I段母線的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，12DP、13DP為電容補(bǔ)償屏，14DP～22DP為低壓饋電線路控制屏。

    圖2所示為14DP供電線路的高次諧波電流百分比含量曲線圖(上曲線)。從零時(shí)至第二天零時(shí)的一晝夜中，高次諧波電流含量一般都在10%～50%之間徘徊，而且三相中以B相含量為最高。高次諧波電壓百分比含量(下曲線)，多次電壓突破5%，達(dá)到6%的含量。

    圖3所示為15DP供電線路的高次諧波電流百分比含量曲線圖（上曲線）。從零時(shí)至第二天零時(shí)的一晝夜中，只要線路有負(fù)荷就有諧波電流的存在，最少都有5%以上的含量，負(fù)荷高峰時(shí)可達(dá)30%～45%。高次諧波電壓百分比含量（下曲線），多次電壓突破5%，達(dá)到6%的含量。

    從配電所的NS6000后臺(tái)系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)可看到：配電所的供電電力系統(tǒng)中，存在大量的高諧波電流，由此引起的高次諧波電壓的含有量（特別是奇次諧波含有量）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限值，電壓總諧波畸變率特別高，而且諧波電壓對(duì)本系統(tǒng)的沖擊持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，間隔時(shí)間短，有時(shí)NS6000后臺(tái)系統(tǒng)也根本無(wú)法檢測(cè)到每次沖擊的時(shí)間間隔，即這種沖擊長(zhǎng)時(shí)間地停留在供配電網(wǎng)絡(luò)中。
2 供配電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生
    從波形圖上可以看出，諧波電流的含量已經(jīng)超標(biāo)，這必將導(dǎo)致系統(tǒng)的諧波電流出現(xiàn)高的畸變率。而以上兩路輸出線路的高次諧波電壓的含量雖然不是很高，但是由于每條線路都在不同時(shí)間段存在不同程度的超高，這會(huì)使低壓輸出的各個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)的高次諧波電壓在相同時(shí)間或不同時(shí)間段內(nèi)不斷大量涌入整個(gè)低壓供電系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的諧波電壓的疊加，使諧波電壓含量增加、諧波電壓畸變率增大。
    嚴(yán)格地講，電力網(wǎng)絡(luò)中的每個(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，由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。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，其勵(lì)磁電流的諧波含有率與它的鐵磁飽和程度直接相關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，電壓接近額定值，鐵芯工作在輕度飽和范圍，此時(shí)諧波不大。但在一些特殊運(yùn)行方式下(如夜間輕負(fù)荷期間)，運(yùn)行電壓偏高，導(dǎo)致鐵芯飽和程度較嚴(yán)重，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。另外，由于經(jīng)濟(jì)原因，變壓器所使用的磁性材料通常在接近非磁性材料或在非磁性材料區(qū)域運(yùn)行。在這種情況下，即使所加的電壓為正弦波，變壓器的勵(lì)磁電流也是非正弦的；如果勵(lì)磁電流是正弦波，則電壓就是非正弦波，從而產(chǎn)生諧波。
    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。
    高含量的諧波電壓是導(dǎo)致電壓總諧波畸變的直接原因。為以上分析的各斷路器供電的設(shè)備全為大型膠印設(shè)備，裝機(jī)容量大，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)多，變壓器多，直流設(shè)備也多，為1DP-B所供電的設(shè)備的大功率的交流變頻調(diào)速的電動(dòng)機(jī)裝機(jī)容量超過(guò)300 kW，為16DP-B所供電的設(shè)備一般采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，不論是直流電動(dòng)機(jī)還是交流變頻調(diào)速電機(jī)，其變流裝置一般都采用大晶閘管可控整流裝置，由于以上原因致使供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓總諧波畸變率居高不下。
3 供配電系統(tǒng)諧波的危害
    諧波是不能忽視的，其危害主要表現(xiàn)有以下幾方面。
3.1 諧波對(duì)電能損耗的影響
    諧波增加了輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過(guò)高，降低了設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。在理想的正弦波的情況下，無(wú)功功率Q僅僅反映了電能在電源與負(fù)載之間交換或傳遞的幅度。但是，在諧波環(huán)境下的無(wú)功功率Q中，一部分反映了電能在電源與負(fù)載之間交換的幅度，還有一部分則主要做了“無(wú)用功”。這是因?yàn)槎鄶?shù)用電設(shè)備都被設(shè)計(jì)成工作在50 Hz的正弦波電網(wǎng)中，故它們不能有效地利用諧波和間諧波電流，于是這部分能量就只能通過(guò)發(fā)熱、電磁輻射、振動(dòng)和噪音等途徑耗散掉，成為“無(wú)用功”，并同時(shí)造成各種環(huán)境污染[2]。
    (1)電力諧波對(duì)輸電線路的影響
    諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線路和電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。
    (2)電力諧波對(duì)變壓器的影響
    諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱性負(fù)荷的變壓器而言，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。
    (3)電力諧波對(duì)電力電容器的影響
    含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。
3.2 諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響
    特別對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波很可能引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
3.3 諧波對(duì)功率因數(shù)的影響

    (2)諧波對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償方法的影響。傳統(tǒng)的靜電電容補(bǔ)償方法只能解決由于電流相位滯后導(dǎo)致的無(wú)功功率問(wèn)題，而對(duì)由于諧波、間諧波等頻率不合所導(dǎo)致的無(wú)功功率卻無(wú)能為力。
    因此，在諧波環(huán)境中，計(jì)算靜電補(bǔ)償電容的容量時(shí)，應(yīng)當(dāng)扣除畸變所致的無(wú)功功率，而且這部分無(wú)功功率必須用配置電抗器、濾波器等治理諧波的方法解決[3]。
3.4 諧波導(dǎo)致配電系統(tǒng)地諧振風(fēng)險(xiǎn)增大
    諧波會(huì)在熱效應(yīng)、耐壓等方面給補(bǔ)償電容器帶來(lái)負(fù)面影響，故應(yīng)根據(jù)諧波狀況來(lái)調(diào)整電容器的耐壓參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是，諧波還會(huì)導(dǎo)致電容器過(guò)載、過(guò)熱，故諧波還會(huì)影響電容器的容量選擇。另外，配電系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償電容器和變壓器電抗在一定條件下可以形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路。前者從電網(wǎng)吸入諧振頻率及其相近頻率的諧波電流，從而導(dǎo)致電容器過(guò)載，同時(shí)在電容器和電感上產(chǎn)生極高的電壓，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿；后者將向電網(wǎng)注入經(jīng)諧振電路放大數(shù)倍的電流，從而導(dǎo)致電容器、變壓器及導(dǎo)線過(guò)載，同樣也會(huì)產(chǎn)生極高的諧波電壓，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿。
4 諧波治理方法
4.1 三相整流變壓器采用Y、d或D、d聯(lián)結(jié)方式
    由于3次及3次整數(shù)倍次的諧波電流在三角形聯(lián)結(jié)的繞組內(nèi)形成環(huán)流，而星形聯(lián)結(jié)的繞組內(nèi)不可能出現(xiàn)3次及3次整數(shù)倍次的諧波電流，因此采用Y、d或D、d聯(lián)結(jié)的三相整流變壓器，能消除注入供電網(wǎng)絡(luò)的3次及3次整數(shù)倍次的諧波電流。又由于供電系統(tǒng)中的非正弦交流電壓或電流，通常是正、負(fù)兩半波對(duì)時(shí)間軸(橫軸）是對(duì)稱的，不含直流分量和偶次諧波分量，因此采用Y、d或D、d聯(lián)結(jié)的整流變壓器以后，注入電網(wǎng)的諧波只有5、7、11等次諧波了。這種方法是抑制諧波的最基本方法。
4.2 增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)
    整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)越多，整流波形的脈波數(shù)越多，其次數(shù)低的諧波被消去的也越多。如整流變壓器相數(shù)為2×3相時(shí)，出現(xiàn)的5 次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%。如果整流相數(shù)增加到4×3相時(shí)，則出現(xiàn)的5次諧波電流降為基波電流的4.5%，7次諧波電流降為基波電流的3%，都差不多減少到1/3。由此可見(jiàn)，增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)對(duì)抑制諧波效果相當(dāng)顯著[4]。
4.3 裝設(shè)分流濾波器
    在大容量“諧波源”（如大型晶閘管整流器）與電網(wǎng)連接處，裝設(shè)分流濾波器，使濾波器各組R-L-C回路分別對(duì)需要消除的5、7、11等次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生串聯(lián)諧振。由于串聯(lián)諧振時(shí)阻抗極小，從而使這些諧波電流被它分流吸收而不至于注入公用電網(wǎng)。分流濾波器接線圖如圖4所示[5]。

    綜上所述，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 14549-93《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》［6］對(duì)電網(wǎng)各級(jí)電壓諧波水平進(jìn)行了量化限制。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。
參考文獻(xiàn)
[1] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4728-85.電器圖用圖形符號(hào)[S]，1985.
[2] WAKILEH G J.Power systems harmonics fundamentals  analysis and filter design[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[3] 陳眾勵(lì)．民用建筑配電系統(tǒng)諧波防治技術(shù)初探[J].建筑電氣，2009(10)：3-7.
[4] 羅安．電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.
[5] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)．有源電力濾波器-結(jié)構(gòu)、原理、控制[M].北京：科學(xué)出版社，2008.
[6] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93.電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波[S]， 1993.