电气系统谐波治理措施及滤波装置的应用

电气系统谐波治理措施及滤波装置的应用

陈志龙

成都市科锐思智能科技有限公司  成都  610000

【摘要】：现代智能建筑和大型站房及工厂广泛使用高灵敏度的现代化用电设备和装置。高次谐波污染往往导致这些电子系统运行错误乃至损坏。更恶劣的低次谐波环境对保证系统和设备的安全正常运行造成了极大的威胁。本文主要针对现代电网中谐波量，提出一些治理的办法和措施。

【关键词】：谐波；保护；智能建筑；配电系统，滤波装置

一、引言

当前，随着我国用电水平的不断提高，各种新型电器进入现代建筑、铁路站房，大型工厂系统等，低压配电系统负载性质发生了深刻变化。其中不少电器为非线性负载，它们能产生各次谐波，谐波可在电气装置内部产生，也可来自其他用户“污染”的公共电网。 它既可危害电气装置自身，也可通过电网的传导危害到其他用户。

二、谐波的危害

电网中谐波的存在，大大降低了生产效率和产品的精度及质量，使电力设备设施加快老化，维护周期快速提前，维护成本成倍增加。强大的脉冲干扰会导致电子器件、设备的损坏，对计算机及应用计算技术的仪表导致程序错误，存储丢失甚至系统的损坏。在实际工作中，因为它具有多发性、随机性和不可重复性，使设备性能下降、无法工作的现象时有发生。

 (1)对旋转电动机的影响

旋转电动机定子的正序和负序谐波电流，分别形成正向和反向旋转磁场，使旋转电动机产生固定数的振动力矩和转速的变化，从而使电动机效率降低，发热增加，缩短其寿命，如果谐波长时间太大并叠加，会让电机烧坏。

(2)对变压器的影响

变压器等电气设备由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热， 使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。正序和负序谐波电流同样使变压器产生噪声。随着当前装置需要运行到极限值的趋势以及低电压系统日益增高的谐波污染，这个问题也变得日趋严重。

(3)对并联电容器的影响

并联电容器的容性阻抗特性，以及阻抗和频率成反比的特性，使得电容器容易吸收谐波电流引起过载发热。当容性阻抗与系统中感性阻抗相匹配时，容易构成谐波谐振， 使电容器容易产生局部放电爆炸。

(4)对断路器的影响

谐波电流的发热作用大于有效值相等的工频电流，能降低热元件的发热动作电流，使断路器误动作。高次谐波含量较高的电流能使断路器的开断能力降低。

(5)对电子设备的影响

由于设备自身产生的接地电流在设备和真实地之间引发一个电压降，虽然设备也能将这种扰动的敏感性降低，却不能彻底消除，特别是当频率比较高的时候，高次谐波在中性线上会叠加放大，中线又回流在建筑物金属结构上任意流动，从而产生不受控制的电流磁场，让计算机屏幕的频闪，电子电路不稳定，电子元件损坏，程序错乱，引发电子设备死机或数据丢失。由电脑控制的设备，准确度降低或动作错误、停机等。

(6)对电缆的影响

三相四线制配电线路中性线过载、过热、烧毁线路。让电流的趋肤效应增加，使线缆的绝缘快速老化。

(7)对控制装置的影响

严重的谐波畸变会引起在一个正弦周波内的额外过零点，会影响测试设备。使程序控制装置的同步性被干扰，PLC会死机，变频器输出不准。

(8)对保护装置的影响

配电回路的谐波电流含量高会使断路器分断能力降低。这是因为畸变电流过零点时，电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要迅速得多，使电弧容易重燃。因此导致误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳。漏电电流可能会达到使漏电保护装置动作的设定值。事实表明，空气电磁断路器不能分断其分断能力范围内波形畸变率超过50％的故障电流，还会导致断路器损坏。

(9)对感应式电能表计影响

在谐波环境下,电能表记录的是基波电能及部分谐波电能，谐波不但使得用电设备性能变坏，而且让电能表计量中加入了谐波量，因此用户不但多交电费，而且还让电表受到损害。

三、配电系统谐波产生原因及谐波种类

供电系统的基波频率为工频(50 Hz)。谐波频率为基波的整数倍的有两种，奇数次的统称为奇次谐波，偶数次的统称为偶次谐波，分数次的统称为分数谐波。在现代智能建筑配电系统中，当理论上电网供电电压为正弦基波电压，其加在非线性负荷上时，负荷吸收的电流与施加的波形不同，畸变的电流将在电源系统的阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压。 而畸变电压降又对所有用电负荷(线性和非线性)产生影响，又产生更多畸变电流， 在配电系统中，某种比例电抗器组或系统自身电抗与电容比率合适时，将会对某种特定次数的谐波电流产生谐振放大，有时可达谐波源电流的10 倍以上。

四、谐波电流过载的导线截面选择

在以往的设计规范中，比如JGJ16/T-92，对配电线路的导体截面只要求按温升﹑短路热稳定条件﹑电压损失及机械强度来选择及校验，基本未提及谐波电流的影响。而《低压配电设计规范》GB50054-95第2.2.6条，提到“在三相四线制配电系统中，中性线的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响。”这只是考虑到中性线上存在的谐波电流。

《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.4.4条第3款中，提出“当线路中存在高次谐波时，在选择导体截面时应对载流量加以校正，校正系数应符合表7.4.4-3（摘录如下表）的规定”。比较完整地提出配电线路（包括相线和N线）的导体截面的选择要考虑到谐波电流的影响。而未考虑谐波电流的影响会导致导体载流量小于配电线路（包括相线和N线）的计算电流，实际上也违反了JGJ16-2008中的强制性条文，即第7.4.2-1)条：“导体载流量不应小于预期负荷的最大计算电流”。可见，该条规范对于配电系统安全可靠地运行具有重大的意义，因此必须在设计中切实地贯彻执行。

4芯和5芯电缆存在高次谐波的校正系数（摘自JGJ16-2008表7.4.4-3）

但是，在运用这条规范时，有如下几个问题，提出来，并加以探讨。

（1） 表中仅提到4芯和5芯电缆（即三相配电线路）存在高次谐波时的校正，那么单相回路是否要考虑谐波电流的影响？

（2）该条规范只提到在配电线路存在谐波电流的情况下，导体截面选择时要考虑载流量校正。那么，断路器的整定电流是否也应做相应的校正？

（3）表中仅提到按三次谐波电流的含量校正，那么有些用电设备的三次以上的高次谐波的含量很高时，这样的校正是否准确？

对于问题一、非线性设备供电的单相二线制电路，它们的投入运行，仍然会在配电线路中产生谐波分量，线路的实际电流包括了基波电流和谐波电流，如不做校正，当谐波含量较大时，线路的过载就会不可避免。

例如：一条为10台计算机供电的单相配电线路，每台计算机按300VA计，该支路的计算电流（即基波电流Ij）为13.6A，可选用BV-3*2.5 穿管明敷设（环境温度40℃的载流量为20A）。

但计算机设备的谐波含量较大，配电线路的总谐波含量THD达到125%，考虑谐波电流后，配电线路的总有效电流及导体截面选择的结果列于下表。

从上表可以看出，对于本条配电线路，原设计选用的BV-3*2.5㎜2其载流量为20A，小于配电线路的总有效电流。根据线路中具体的谐波含量做计算，而且由于单相两线制配电线路，相线和中性线的电流相等，中性线应与相线选用同等截面。

对于问题二、在前面的例子中，在做谐波校正前，配电线路的总有效电流为13.6A可以选配16A的断路器；计谐波电流的影响后，配电线路的总有效电流为21.8A，由于配电线路的谐波是实际存在的，谐波电流的发热作用能降低断路器的热元件的动作电流。因此，原设计选用16A的断路器，整定电流比线路的总有效电流小，当线路满负荷运行时，就会造成断路器长延时脱扣器动作于跳闸断电。因此，断路器的长延时脱扣器的整定电流也应考虑谐波电流的影响并加以校正。在上例中，该配电线路总有效电流为21.8A，应选配25A的断路器。

事实上，工程实际中发生的经常性断路器跳闸事故，有些就是谐波引起的过电流，而常常被人们简单地归因于短路﹑漏电﹑更换或增加用电设备引起的过载等。

对于问题三、JGJ16-2008第7.4.4条的校正系数表中校正系数的选择是根据相电流中三次谐波电流分量的多少来确定的，但实际上许多用电设备的三次以上的高次谐波的含量也很高。

比如，计算机设备的3﹑5﹑7﹑9次谐波的含量是相当高的。另外，有些设备如三相UPS设备，它的5次谐波含量很高，含量可达到58.5%，但不含有3次谐波。但是中性线上的电流远大于相线电流，如下表，一个10KVA不间断电源UPS，如果不做载流量校正，直接按Ij选择导线截面，中性线将严重过载。

JGJ16-2008第7.4.4条第3款中规定，“当预计中性导体电流高于相线电流时，电缆截面应按中性导体的电流来选择”。根据这条规范的相关规定，当相线的高次谐波（指奇次）含量大于33%时，中性导体的电流就比较大，甚至有可能超过相线电流。那么如何计算中性线上的电流呢？

（1）三相平衡系统：

三相平衡系统中，中性线上的不平衡电流为0。各相谐波电流在中性线上互相叠加，因此中性线的谐波电流为各相谐波电流之和。

例如：有一个学校的计算机教室有60台学生实验用的计算机，每台的用电量仍按300VA计。每相各承担20台计算机用电。这是一个三相平衡的配电系统，各相的计算电流为Ij=300*60/（√3*380）=27.3A，在不考虑谐波影响时，选择32A断路器及YJV-5*6的电缆穿管明敷设（环境温度40℃的载流量为40A），即可满足要求。由于THD为125%，应按中性线的电流做校正，因此首先应计算出中性线的电流。 计算机设备的谐电流基本为3﹑5﹑7﹑9﹑11﹑13次，各相谐波电流在中性线上互相叠加。因此，这个配电系统中，中性线的不平衡电流为0，且谐波电流为各相谐波电流之和如下表。

根据计算结果，首先按相线的总有效电流选择50A断路器；其次将中性线的电流按表一除以校正系数1.00后，需选择YJV-4*35+1*16的电缆（环境温度40℃的载流量为116A）。

通过这个例子也可以看出，考虑谐波电流引起的载流量校正后，选用的断路器及电缆规格与原设计有很大的不同。不过由于相线的总有效电流较小，事实上选用BV-4*16+1*50（N）的导体，将N线特别加大，也可以满足要求。

（2）三相不平衡系统：

三相不平衡系统中，中性线上存在不平衡电流。因此，中性线上的电流除了谐波电流外，尚应计及此不平衡电流。

分析可知，中性线的不平衡电流为各相基波电流的向量和，它也是一个正弦波，其最大值发生在电流次大相过零时。该中性线不平衡电流的最大值为最大相基波电流与最小相基波电流之差的0.866倍，且为其有效值的√2倍。由此可得：中性线不平衡电流的有效值=0.866/√2*(最大相基波电流-最小相基波电流)=0.61*(最大相基波电流-最小相基波电流)。

比如，上一个例子中，由于某种原因，60台计算机设备未平均分配在电源的三相上，其中L1相23台，基波计算电流为31.4A(最大相)；L2相20台，基波计算电流为27.3A；L3相17台，基波计算电流为23.2A（最小）。那么中性线上的不平衡电流有效值为：(31.4-23.2)*0.866/√2=5.0A

中性线上的谐波电流仍为这60台计算机设备的谐波电流之和，为102.4A。最后可得中性线上的有效电流为：

Ioyx=√(Io2+Ion2)= √(5.02+102.42)=102.5A

可见，对于三相基本平衡的系统，中性线上主要是谐波电流，中性线的不平衡电流很小，甚至可以忽略不计。因此，在设计时应尽量保持三相平衡，这样可以有效地降低中性线上的电流。

五、谐波污染的防范措施

减小谐波影响应对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施，见下表。

减小谐波影响的主要技术措施

六、谐波治理目标：

治理后电压总谐波畸变率不得超过3%（奇次谐波电压含有率不超过2.4%，偶次谐波电压含有率不超过1.2%）电流总谐波畸变率达到8%以下，同时注入电网公共连接点的谐波电流分量（方均根值）不应超过下表中规定的允许值。

七、治理容量的选择

在用有源滤波装置时，一定要选择好治量的容量，如果治理容量选择的过小，则不能干净的消除电网中谐波，如果容量选择的过大，则增加了成本，又造成了治理的浪费，如何更好的来选择所需要的治理容量呢，可以根据一个经过反复考证和实践过的选择公式来计算选取。

I-THD:是谐波电流，单位是A

S-T:变压器的额定容量，单位是KVA

K1：负荷率，是设计负荷占变压器总容量的百分比，一般在50%-80%

K2:补偿系数，一般在0.5-2.0之间，根据不一样的谐波设备和场所而定。

一般补偿系数值的选取

0.5-0.8    一般无特殊干扰的场所，如写字楼，商业住宅楼等。

0.8-1.5    中等干扰的项目，如电脑，空调，节能灯相对集中的办公楼体育馆，剧场，电视台演播室，银行数据中心，一般工厂等。

1.5-2.0    强干扰的项目，如通讯机站，电弧炉，大量UPS设备,变频器，焊接，电镀，电解，整流等工厂。

2.0-3.5    超强干扰或高谐波要求的项目，如航空，航天等。

例如一个容量为2000KVA的变压器或负荷容量为2000KVA，的大型钢铁厂，设备中有很多中频炉和变频器等，设备负荷率一般在70%左右的，我们选择治理的容量应为。  I-THD=2000*0.15*0.7*2.0=420A。

十二、结束语

谐波污染对设备和电网造成了大量危害，为保证各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行,必须要采取相应措施,消除对用电设备具有破坏性的谐波，高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等，确保用电设备的使用寿命，但增大导线的截面，规划摆放和定时开停，会产生谐波的设备或采用更贵更好的设备等措施，都需要我们增加更多的投入。如果选择现在最先进的滤波装置，肯定可以大大降低我们的生产成本，为我们节约更多的能源。

参考文献：

1．《有源电力滤波器》科学出版社 姜齐荣

2．《电力系统谐波》机械工业出版社 于海波

3．《基于有源电力滤波器的电力谐波治理》冶金工业出版社 陈冬冬

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