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农村电网的谐波管理
农村电网的谐波管理
[摘 要]
电力系统谐波是重要的电能质量指标之一。当电力系统中谐波含量达到一定程度时，将对电力设备带来严重危害，影响电力系统的正常运行。本文讲述了电力谐波的概念，对电网中谐波的来源和危害进行了简要分析，提出了治理谐波的方法及管理措施。
[关键词]电网 谐波 管理
由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。
1 谐波的概念
在理想的供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在实际的电力系统运行中，含在许多非线性负荷，当电流流过与所加正弦电压不呈线性关系的负荷时，电流要产生畸变，形成非正弦波电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波是一种干扰量，使电网受到“污染”。 谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。
谐波电流朝谐波阻抗小的方向流动。高一级电压谐波阻抗比低压谐波阻抗小，所以谐波电流向上一级电压等级系统流动。
2 谐波的产生
电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多的是用电环节。
(1) 发电源产生谐波：
发电机是由三相绕组组成的，从理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。
(2) 输配电系统产生谐波：
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。
(3) 用电设备产生的谐波：
用电环节谐波源更多，晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波。晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源。
变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V /50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2-7次的谐波，平均可达基波的8%-20%，最大可达45%。
充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，因不平衡电流的变化也能使波形改变。产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。
3 谐波的危害
谐波作为一种污染，对电网危害十分严重，它使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电器设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，它可引起电力系统局部谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备损坏，它能引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。另外，还对通讯设备和电子设备产生严重干扰等等。电力系统中谐波的危害概括起来有以下几个方面：
(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：
谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力，谐波导致的噪声，会使变电所的噪声污染指数超标。对于电力电容器，谐波会导致端电压升高，损耗加大，电容器发热，加速老化，从而缩短使用寿命。配网中使用大量异步电动机，产生的谐波会增加附加损耗。负序谐波产生的负序旋转磁场，会产生制动力矩，影响电动机的有功出力。对断路器而言，无论其构成元件为电磁的、还是热磁的、亦或电子的，都可能受谐波的影响误动。
(2)影响继电保护和自动装置的工作可靠性：
对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。
(3)对通讯系统工作产生干扰：
电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。
(4)对用电设备的影响：
电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。
电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。
(5)对人体的影响：
对于人体，谐波会刺激人体细胞，使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转，当这种波动或翻转频率接近谐波频率时，会影响人体大脑与心脏。
4 谐波的测量
谐波的危害程度在生产实践中不易觉察到，需要使用谐波测量仪进行专业测量和计算，谐波测量仪分为携带式及固定接线式。谐波测量对抑制谐波有着重要的指导作用：检定实际网络谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定；了解和掌握各种电力设备投运前、后相关系统的谐波水平及其变化、检验谐波对有关设备的影响；谐波故障和异常的原因测量，以找到应采取的相应对策；谐波专题测试还可以便于了解谐波源特性、系统谐波阻抗、谐波潮流分布和谐波放大现象等。
（1）测量条件
谐波电压（或电流）测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行（例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量）。当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般为第2至第19次，根据谐波源的特点或测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范围。
对于负荷变化快的谐波源（例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电的轧机、电力机车等），测量的间隔时间不大于2min，，测量次数应满足数理统计的要求，一般不少于30次。对于负荷变化慢的谐波源（例如：化工整流器、直流输电换流站等），测量间隔和持续时间不作规定。
谐波测量的数据应取测量时段内各相实测量值的95%概率值中最大的一相值，作为判断谐波是否超过允许值的依据。为了实用方便，实测值的95%概率值可按下述方法近似选取：将实测值按由大到小次序排列，舍弃前面5%的大值，取剩余实测值的最大值。
（2）谐波电压及电流限值
谐波电流进入供电系统后将产生谐波电压，影响到连接在同一母线的其他负荷或连接同一电源的临近装置。因此，国家规定谐波造成电网电压波形畸变率极限和用户注入电网的谐波电流允许值应满足国家标准。
对用户进行考核时，不应考核电压波形畸变率，而应考核谐波电流值不超标，这是因为在用户处谐波电压测得值低，流经线路后，流入变电所出口时谐波电压升高。而谐波电流是恒流，保持不变。
国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》中列出了有关谐波电压及电流的限值。
表1 公用电网谐波电压（相电压）限值
| 电网标称电压 kV | 电压总谐波畸变率 % | 各次谐波电压含有率，% | |
| 奇次 | 偶次 | ||
| 0.38 | 5.0 | 4.0 | 2.0 |
| 6(10) | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
| 35(66) | 3.0 | 2.4 | 1.2 |
| 110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
| 标准电压kV | 基准短路容量MVA | 谐波次数及谐波电流允许值，A | ||||||||||||||||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | ||
| 0.38 | 10 | 78 | 62 | 39 | 62 | 26 | 44 | 19 | 21 | 16 | 28 | 13 | 24 | 11 | 12 | 9.7 | 18 | 8.6 | 16 | 7.8 |
| 6 | 100 | 43 | 34 | 21 | 34 | 14 | 24 | 11 | 11 | 8.5 | 16 | 7.1 | 13 | 6.1 | 6.8 | 5.3 | 10 | 4.7 | 9.0 | 4.3 |
| 10 | 100 | 26 | 20 | 13 | 20 | 8.5 | 15 | 6.4 | 6.8 | 5.1 | 9.3 | 4.3 | 7.9 | 3.7 | 4.1 | 3.2 | 6.0 | 2.8 | 5.4 | 2.6 |
| 35 | 250 | 15 | 12 | 7.7 | 12 | 5.1 | 8.8 | 3.8 | 4.1 | 3.1 | 5.6 | 2.6 | 4.7 | 2.2 | 2.5 | 1.9 | 3.6 | 1.7 | 3.2 | 1.5 |
| 66 | 500 | 16 | 13 | 8.1 | 13 | 5.4 | 9.3 | 4.1 | 4.3 | 3.3 | 5.9 | 2.7 | 5.0 | 2.3 | 2.6 | 2.0 | 3.8 | 1.8 | 3.4 | 1.6 |
| 110 | 750 | 12 | 9.6 | 6.0 | 9.6 | 4.0 | 6.8 | 3.0 | 3.2 | 2.4 | 4.3 | 2.0 | 3.7 | 1.7 | 1.9 | 1.5 | 2.8 | 1.3 | 2.5 | 1.2 |
谐波含量（电压或电流）——从周期性交流量中减去基波分量后所得的量。
谐波含有率（HR）——周期性交流量中含有的第h次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值之比。第h次谐波电压含有率以HRUh表示，第h次谐波电流含有率以HRIh表示。
总谐波畸变率（THD）——周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比。电压总谐波畸变率以THDu表示，电流总谐波畸变率以THDi表示。
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，谐波电流允许值需进行换算，修正公式为Ih=
式中：Sk1——公共连接点的最小短路容量，MVA；
Sk2——基准短路容量，MVA；
Ihp——表2中第h次谐波电流允许值，A；
Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，A。
同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。
在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值Ihi按下式计算：Ihi=Ih
式中：Ih——换算后的第h次谐波电流允许值，A；
Si——第i个用户的用电协议容量，MVA；
St——公共连接点的供电设备容量，MVA；
α——相位迭加系数，按表3取值。
5 谐波的治理
针对谐波的产生和传播的特点，应采取相应的隔离、补偿和减小措施。可能的解决方法有：
(1)改善供电结构：
选择合理的供电电压，并尽可能保持三相电压平衡。尽量将产生大量谐波的非线性负荷与基本上不产生谐波的用电设备分在不同供电母线上。因为将多个谐波源接于同一段母线上，利用谐波的相互补偿作用可降低电网谐波含量。
(2)装设滤波器：
滤波器通常安装在非线性负荷侧母线上，使其固有频率按要求和某些特征频率共振，从而吸收大部分谐波源注入电网的谐波电流。滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器两大类。无源谐波抑制装置由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。有源滤波器产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，使电网电流只含基波分量，补偿性能好，但容量大、成本高。
(3)装设静止无功补偿装置，对大型电弧炉及晶闸管控制的轧钢机等非线性设备，由于其负荷是冲击性的，而且是随机的，因此宜装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力。
(4)对于大容量的电力设备，特别是大容量的电容器组，回路内增设限流装置或串联电抗器，以抑制电力谐波的产生。
(5)对容量在100kVA及以上整流装置和非线性设备的用户，必须增设分流滤波装置，就近吸收电力谐波。
(6)换流装置是供电系统的主要谐波源之一，可以采用增加换流装置的相数，有效的消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。
(7)增加中性线容量：
中性线因谐波电流的影响可能产生超过相线的电流，如果通过理论计算或实测的中性线谐波电流较大时，就必须增大中性线容量。
（8）采用D，yn11接线组别的变压器：
采用D，yn11接线组别的配电变压器，由于三次谐波电流可在D接线高压绕组的闭合回路流通，所以相电压中没有三次谐波分量，这样就抑制了高次谐波电流，从而达到使中性线中谐波电流减小的目的。
6 谐波的日常管理
随着电力电子装置的广泛应用，谐波对电力网的污染日益严重，供电企业对谐波管理的意义认识更加深刻。谐波管理也是建设国家一流县供电企业的一项重要指标。对谐波源的管理和谐波抑制工作需进一步加强，大力开展谐波测量、谐波源监测、谐波分析、谐波治理等工作。从管理上可采取以下措施：
(1)充分认识谐波对电网的危害，建立健全谐波管理体系，组织专业管理队伍，对谐波进行专业管理，开展谐波专业分析与治理。
(2)普及谐波管理知识，加强标准和相应规范的宣传贯彻。要充分认识到，谐波治理不只是供电企业的责任，而是电力企业和用户的共同责任，减少电网污染，提高电能质量，对双方都有较大的潜在利益。谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。
《中华人民共和国电力法》指出："用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序"，《供电营业规则》中规定："用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。"
(3) 主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
(4)严格业扩报装审批手续，对新上用户设备的负荷特性严格审查，非线性负荷用电设备接入电网前，对消谐装置要组织验收，如果验收不合格，不允许通电；通电后要进行谐波实测，如果实测谐波超标，不允许该非线性负荷接入电网运行。
(5)严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准，加强管理。用户注入电网的谐波电流超过规定标准时，用户必须采取措施消除；否则，供电企业可中止对其供电。
(6)已经投产谐波源的遗留问题要按照“谁污染，谁治理”的原则认真处理，在大容量非线性用户入网侧要加装谐波监测装置，对不履行供用电协议的可停止供电，对电网及其他用户造成严重经济损失的由造成电能质量不合格的谐波源用户负责赔偿。
7 结束语
谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、城网中，谐波治理有明确的规定和要求，而日益发展的农村电网对有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。目前农网中的高压配电的许多用户，对谐波的危害也没有引起足够的重视，往往认为谐波治理是电力部门的事情，是一种单边行为，就此而言，作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传，强调谐波治理的重要性和投资回报。在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案。这样做，不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。
参考文献
1 电能质量 公用电网谐波（GB/T14549-93）1993-07-31国家技术监督局发布
2 江苏电网谐波管理实施细则 江苏省电力公司 2000年
3 城市电网谐波手册 中国电力出版社 2001年
发布日期：2007-2-8 【返回】