摘  要： 詳細分析了供電系統(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,。評價電能質(zhì)量有幾方面標準,，其中一方面就是電壓的波形質(zhì)量,，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重,。
    配電變壓器運行時有一種電能損耗源是諧波電流,，其在系統(tǒng)中流動會使變壓器、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,。我國頒布的GB/T14549-93《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)質(zhì)量》［1］標準中對高次諧波電壓(相電壓)限值有嚴格規(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5.0%,，各次諧波電壓含有率的奇次不得超過4.0%,，偶次不得超過2.0%。同時還規(guī)定高次諧波電壓對電網(wǎng)的沖擊持續(xù)的時間不超過2 s,，且兩次沖擊之間的間隔時間不小于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、第二兩個變電所組成,。兩個變電所都是采用兩臺變壓器分列運行方式,，如圖1所示,。第二變電所的二號變壓器由10 kV高壓304斷路器控制,，0.4 kV低壓由11DP輸出總屏控制，10DP為與一號變壓器輸出的I段母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān),，12DP,、13DP為電容補償屏，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),。從零時至第二天零時的一晝夜中，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）。從零時至第二天零時的一晝夜中,，只要線路有負荷就有諧波電流的存在,，最少都有5%以上的含量，負荷高峰時可達30%～45%,。高次諧波電壓百分比含量（下曲線）,，多次電壓突破5%,，達到6%的含量。

    從配電所的NS6000后臺系統(tǒng)檢測的數(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）遠遠超過了標準限值，電壓總諧波畸變率特別高,，而且諧波電壓對本系統(tǒng)的沖擊持續(xù)時間長,，間隔時間短，有時NS6000后臺系統(tǒng)也根本無法檢測到每次沖擊的時間間隔,，即這種沖擊長時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,，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間段存在不同程度的超高,，這會使低壓輸出的各個分支網(wǎng)絡(luò)的高次諧波電壓在相同時間或不同時間段內(nèi)不斷大量涌入整個低壓供電系統(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,。
    嚴格地講，電力網(wǎng)絡(luò)中的每個環(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)電機是由三相繞組組成的,，由于發(fā)電機的轉(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一點不失真的正弦波。理論上講,，發(fā)電機三相繞組必須完全對稱,，發(fā)電機內(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)電機總會產(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)。正常運行時,，電壓接近額定值,，鐵芯工作在輕度飽和范圍,，此時諧波不大。但在一些特殊運行方式下(如夜間輕負荷期間),，運行電壓偏高,，導(dǎo)致鐵芯飽和程度較嚴重，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)域運行,。在這種情況下，即使所加的電壓為正弦波,，變壓器的勵磁電流也是非正弦的,；如果勵磁電流是正弦波，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，裝機容量大,，感應(yīng)電動機多,，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)速的電動機裝機容量超過300 kW，為16DP-B所供電的設(shè)備一般采用直流電動機拖動,，不論是直流電動機還是交流變頻調(diào)速電機,，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)備的溫度過高，降低了設(shè)備的利用率和經(jīng)濟效益,。在理想的正弦波的情況下,，無功功率Q僅僅反映了電能在電源與負載之間交換或傳遞的幅度,。但是，在諧波環(huán)境下的無功功率Q中,，一部分反映了電能在電源與負載之間交換的幅度,，還有一部分則主要做了“無用功”。這是因為多數(shù)用電設(shè)備都被設(shè)計成工作在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發(fā)熱、電磁輻射,、振動和噪音等途徑耗散掉,，成為“無用功”，并同時造成各種環(huán)境污染[2],。
    (1)電力諧波對輸電線路的影響
    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)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿,。
    (2)電力諧波對變壓器的影響
    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強度，諧波電流的存在增加了銅損,。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言,，會大大增加勵磁電流的諧波分量。
    (3)電力諧波對電力電容器的影響
    含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時,，由于電容器對電力諧波阻抗很小,，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，引起電容器過負荷甚至爆炸,，同時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 諧波對繼電保護和自動裝置的影響
    特別對于電磁式繼電器來說,，電力諧波很可能引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動,，使其動作失去選擇性，可靠性降低,，容易造成系統(tǒng)事故,，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。
3.3 諧波對功率因數(shù)的影響

    (2)諧波對功率因數(shù)補償方法的影響,。傳統(tǒng)的靜電電容補償方法只能解決由于電流相位滯后導(dǎo)致的無功功率問題,，而對由于諧波、間諧波等頻率不合所導(dǎo)致的無功功率卻無能為力,。
    因此,，在諧波環(huán)境中,，計算靜電補償電容的容量時，應(yīng)當(dāng)扣除畸變所致的無功功率,，而且這部分無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)險增大
    諧波會在熱效應(yīng),、耐壓等方面給補償電容器帶來負面影響,，故應(yīng)根據(jù)諧波狀況來調(diào)整電容器的耐壓參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是,，諧波還會導(dǎo)致電容器過載,、過熱，故諧波還會影響電容器的容量選擇,。另外,，配電系統(tǒng)中，無功補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)致電容器過載，同時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)線過載,，同樣也會產(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、負兩半波對時間軸(橫軸）是對稱的,，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，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，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,，增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)對抑制諧波效果相當(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回路分別對需要消除的5,、7、11等次諧波進行調(diào)諧,，使之發(fā)生串聯(lián)諧振,。由于串聯(lián)諧振時阻抗極小，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］對電網(wǎng)各級電壓諧波水平進行了量化限制。這樣做不僅能夠改善整個網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì),，同時也能延長用戶設(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
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[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] 國家標準GB/T14549-93.電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波[S]， 1993.