摘 要： 詳細分析了供電系統(tǒng)諧波產生的原因，并提出了合理的解決方法，取得了良好的效果。
關鍵詞： 三相橋式整流器；波形畸變；諧波電流；諧波電壓
電能質量的好壞，直接影響工業(yè)產品的質量。評價電能質量有幾方面標準，其中一方面就是電壓的波形質量，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、配電設備及導線發(fā)熱，由此產生電能損耗。另外，諧波電流會導致諧波電壓的產生，從而引起高次諧波電壓畸變。我國頒布的GB/T14549-93《電能質量·公用電網(wǎng)質量》［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)絡開關，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)絡中。
2 供配電系統(tǒng)諧波的產生
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)絡的高次諧波電壓在相同時間或不同時間段內不斷大量涌入整個低壓供電系統(tǒng)，導致系統(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)絡中的每個環(huán)節(jié)，包括發(fā)電、輸電、配電、用電都可能產生諧波，其中產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)電機內的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產生，但受工藝、環(huán)境以及制作技術等方面的限制，發(fā)電機總會產生少量的諧波。
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。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，導致鐵芯飽和程度較嚴重，致使磁化電流呈尖頂形，內含大量奇次諧波。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，從而產生諧波。
用電環(huán)節(jié)諧波源更多，晶閘管式整流設備、變頻裝置、充氣電光源以及家用電器，都能產生一定量的諧波。
高含量的諧波電壓是導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備全為大型膠印設備，裝機容量大，感應電動機多，變壓器多，直流設備也多，為1DP-B所供電的設備的大功率的交流變頻調速的電動機裝機容量超過300 kW，為16DP-B所供電的設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、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過高，降低了設備的利用率和經(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)用電設備都被設計成工作在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。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，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致的無功功率問題，而對由于諧波、間諧波等頻率不合所導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，應當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 諧波導致配電系統(tǒng)地諧振風險增大
諧波會在熱效應、耐壓等方面給補償電容器帶來負面影響，故應根據(jù)諧波狀況來調整電容器的耐壓參數(shù)。應當注意的是，諧波還會導致電容器過載、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，從而導致電容器過載，同時在電容器和電感上產生極高的電壓，導致相關設備絕緣擊穿；后者將向電網(wǎng)注入經(jīng)諧振電路放大數(shù)倍的電流，從而導致電容器、變壓器及導線過載，同樣也會產生極高的諧波電壓，導致相關設備絕緣擊穿。
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)結的繞組內形成環(huán)流，而星形聯(lián)結的繞組內不可能出現(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)結的三相整流變壓器，能消除注入供電網(wǎng)絡的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的相數(shù)
整流變壓器二次側的相數(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的相數(shù)對抑制諧波效果相當顯著[4]。
4.3 裝設分流濾波器
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，是改善供電品質的重要手段。GB/T 14549-93《電能質量—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)絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。
參考文獻
[1] 國家標準GB4728-85.電器圖用圖形符號[S]，1985.
[2] WAKILEH G J.Power systems harmonics fundamentals analysis and filter design[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[3] 陳眾勵．民用建筑配電系統(tǒng)諧波防治技術初探[J].建筑電氣，2009(10)：3-7.
[4] 羅安．電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京：中國電力出版社，2007.
[5] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)．有源電力濾波器-結構、原理、控制[M].北京：科學出版社，2008.
[6] 國家標準GB/T14549-93.電能質量·公用電網(wǎng)諧波[S]， 1993.