1 前言
通信樞紐機房隨著非線性用電設(shè)備的大量投運,，造成了電網(wǎng)諧波分量所占比重越來越大,。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗,，而且干擾電網(wǎng)保護裝置的正常運行,，威脅網(wǎng)絡(luò)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(shè)備
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備,，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)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(chǎn)生的諧波
變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10% 以上時,，也會使二次側(cè)電壓的3 次諧波明顯增加。
⑶ 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波
由于電網(wǎng)電壓偏移在±7％以下,，所以發(fā)電,、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都較小。因此,，發(fā)電,、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備,，非線性用電設(shè)備是主要的諧波源,，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類。
① 電弧加熱設(shè)備,，如電焊機等,。
② 交流整流的直流用電設(shè)備，如電力機車,、電解,、電鍍等。
③ 交流整流再逆變用電設(shè)備,，如變頻調(diào)速器等,。
④ 開關(guān)電源設(shè)備，如電子整流器等,。
2.2 通信樞紐機房諧波設(shè)備的情況
通信樞紐機房內(nèi)由于負載供電的不可間斷性,，使用了大量UPS 和開關(guān)電源,，這些設(shè)備輸入級均為三相整流，產(chǎn)生大量諧波,。開關(guān)電源,、UPS 設(shè)備先把交流整流成直流，再通過二次變換,，變成相應(yīng)的直流與交流,。期間通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，不僅在整流時產(chǎn)生諧波,，而且在開關(guān)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(wǎng),。
2.3 某樞紐樓中一個機房設(shè)備使用與諧波測試情況
⑴ 某樞紐樓中一個機房內(nèi)設(shè)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(shè)備的附加損耗
使設(shè)備過熱,，降低設(shè)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(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時,，因集膚效應(yīng)的作用,，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗和電能損耗,，使導(dǎo)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(shù)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(dǎo)致繞組過熱,；對全星形連接的變壓器,，當(dāng)繞組中性點接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)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(yīng)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(chǎn)生諧波的設(shè)備形成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時,，在一定的參數(shù)匹配條件下,，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振,。一般情況下，并聯(lián)諧波的諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害較大,。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感,、電容產(chǎn)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(xiàn)誤動作,，以至于導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備,，與此同時還產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)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(shù)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(wǎng)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(chǎn)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(chǔ)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(chǔ)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(dāng)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(shè)計的,，當(dāng)供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應(yīng)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(chǎn)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(shè)備和人員的安全,。另外,，換相過程中產(chǎn)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(wǎng)運行的安全,。
3.5 對供用電設(shè)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(shè)備內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，從而使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤,。對于帶有提高功率因數(shù)用的電容器的設(shè)備來說,，因為在一定參數(shù)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(dǎo)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(shè)備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則,，應(yīng)該在非線性用電設(shè)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(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振,，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)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(chǎn)生放大作用；
⑵ 屬于靜態(tài)補償,，當(dāng)負荷變動,，特別是諧波分量變動時,，經(jīng)常出現(xiàn)相位過補償而導(dǎo)致線路諧振的可能；
⑶ 諧波電流增大時,，濾波器負擔(dān)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(dāng)用戶負載出現(xiàn)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(cè)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(yīng)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(shù)在諧波治理上占主導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)致的設(shè)備和線路損耗,；
⑷ 并聯(lián)型濾波器可多級并聯(lián)，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(jīng)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(chǎn)生所需要的補償電流,。補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C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(nèi)）,；
⑵ 總電流畸變率THDi% 低于5%（會存在測試誤差1%內(nèi)）,；
⑶ 功率因數(shù)0.95 以上（會存在測試誤差0.1 內(nèi)）。前述某樞紐樓諧波治理后的數(shù)據(jù)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(shè)備的功率因數(shù),，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(shè)備的運行與供電安全,。總體而言,，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(yù)期,，治理的某點測試原始數(shù)據(jù)分別示于圖4,、圖5、圖6,、圖7,。
6 諧波治理的意義
當(dāng)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(shè)備可以對電氣設(shè)備產(chǎn)生的各種類型諧波進行有效的濾除,，使得電網(wǎng)凈化。降低電流波形畸變,，包括高頻電流在電路和電氣設(shè)備中的損耗,，實現(xiàn)節(jié)能目的。
用改善波形實現(xiàn)節(jié)能的效果問題,，是一個與當(dāng)前諧波電流大小,、電網(wǎng)阻抗特性和負載性質(zhì)復(fù)雜相關(guān)的問題，其節(jié)能效果很難準確預(yù)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(zhì)損耗等等,。電力諧波治理的附加節(jié)能效果,，與諧波治理設(shè)備的現(xiàn)場安裝位置有關(guān)。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(lián)感性元件越多,、并聯(lián)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(zhì)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(shè)備的功率因數(shù),。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(jié)束語
隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展,，大型非線性設(shè)備或電子器件大量的使用,，使電網(wǎng)產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)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(shù)節(jié)約能源,，改善供電質(zhì)量有著十分重要的意義,。