供配电系统中谐波问题分析及改进

供配电系统中谐波问题分析及改进

郭万平

天津市新天钢冷轧薄板有限公司

【摘要】针对电力系统中存在的谐波危害，以天材科技公司连退机组焊机辅助供电中存在的谐波为例进行了探讨，分析了其产生的原因并提出了相应的改进措施。以确保供配电的运行质量，减少谐波造成的设备故障及经济损失。

关键词 谐波；供配电系统；无源滤波；措施

1 引言

通过傅里叶函数对周期性非正弦电量进行分解可以得出两个分量:一个分量的频率同电网基波频率相同；一个分量的频率大于电网基波频率。通常将大于电网基波频率的分量称为谐波。随着电力系统中非线性元件的逐渐增加，电路中电压与电流的正玄波也会出现一定程度的畸变，谐波变随之产生。在现有技术水平下，电路中的谐波不可避免，其一方面影响到电力系统的供电质量，另一方面还会对部分电子设备带来一定危害。本文通过新天钢冷轧薄板连退机组焊机辅助供电系统中谐波问题真实案例，分析了谐波产生来源以及危害，从而找出预防纠正措施，确保设备运行安全。

2 谐波来源

  电力系统中谐波的来源比较广泛，概括起来可以将其分为：发电源引入的谐波、输配电系统引入的谐波以及用电设备引入的谐波。其中发电设备和输配电设备均不是影响电网谐波的主要因素，而电网谐波主要是由非线性用电设备引起的。

2.1输配电系统

  基于整体经济方面的考虑，在对变压器进行设计时，通常使其工作磁密处于磁化曲线的近饱和度，再加上铁芯的饱和性等特点，难免会出现奇次谐波。一般情况下，随着变压器铁芯饱和程度的提高，其偏离线性程度也会越大，同时也会产生较大的谐波电流。  

2.2 发电源

  在制造发电机时，受工艺条件限制，三相绕组及铁芯均无法做成绝对对称与均匀。因此，转子转动过程中形成的磁场也是存在一定畸变的正弦波，同时，电压波形也会有所失真。

2.3用电设备

2.3.1 晶闸管整流设备

  可控硅整流设备的主要作用是将交变电转换为直流电。无论是在电源开关、充电设备还是冶金、纺织等行业都有着广发应用。由于该类设备使用移相控制，在吸收电网缺角正弦波的同时又将另一部分缺角的正弦波输送给电网。对于单相整流电路，若负载为感性，则会产生奇次谐波电流，若负载为容性，则会产生奇次谐波电压。对于奇次谐波电流而言，3次谐波最为突出，最高可达基波的三分之一左右，对于奇次谐波电压，随着电路电容值的增加，谐波也会随之增大。研究表明，整流装置一般位居对谐波有影响设备的首位，是产生谐波的最主要设备。

2.3.2 变频装置

  由于风机泵类等设备在正常运行过程中并非都处于满负荷状态，处于节能角度考虑，通常需要使用变频装置。而相位控制的使用使其谐波构成更加多样化，同时含有证书谐波与分数谐波。更为重要的是，该类设备通常功率较大，其产生的谐波对电网影响也进一步增大。

3 谐波危害

3.1对变压器的影响

  作为输配电系统的关键设备，变压器的稳定安全运行对整个输配电系统有着重要影响。谐波的存在会导致变压器温升及耗损增加。电路中的负载不可避免会存在谐波电流，从而通过阻抗形成谐波电压。在谐波电压的作用下，变压器内部的铁芯叠片会形成涡流电流，而涡流电流则是造成变压器温升及耗损的关键因素。最终的结果是变压器的基波负载容量降低，导致其基波容量无法满足原有负载的需求。如果负载中存在一定程度的三倍谐波电流，还会在变压器的线圈及铁芯形成环流。在这种情况下，若变压器中性点接地，则三倍频谐波电流将会大量聚集在中性点处，影响负载的正常运行。若变压器中性点不接地，则会引起附加发热。

3.2 对电动机的影响

  作为一种将电能转换为机械能的动力设备，电动机被广泛应用于各行各业。而谐波的存在会导致电动机温度升级耗损增加。具体表现为：铜损和铁损增加、效率下降并伴随着震动与噪声。

3.3 对配电线路的影响

  电力的输送离不开配电线路，当谐波电流经过配电线路时，便会产生集肤效应，导致电阻增加，电流损耗随之增加，从而导致整个配电线路的供电效率及供电质量下降。除此之外，谐波的存在会使配点线路中性线的电流明显变大，这时原有的配电线路截面积便无法有效满足大电流的需要，其直接结果是中性线温度明显升高，轻则烧坏绝缘皮或出现短路，重则引发火灾，造成灾难性后果。  

3.4 对计量仪表及电子设备的影响

  无论是电子仪表还是模拟仪表，谐波的存在都会对其产生影响。受谐波影响，电子仪表计量误差会增大。模拟仪表在谐波的影响下会在绕组及圆盘中产生谐波电流，并在圆盘上产生转矩，导致计量数据失真。

  对于电子设备而言，其最主要的影响是谐波电压或者谐波电流的零点与峰值发生改变，导致控制电路出现误动甚至崩溃。

3.5 对电容器的影响

  配电线路中出现谐波以后，电路中的电容器温度会在谐波电压的作用下显著提高，当电容器的自身温度超过其所能承受的温度极限是，电容器便有可能发生爆炸，严重影响整个配电线路的安全运行。除此之外，电容器还会在电压谐波的影响下产生谐振，对配电网的配电稳定性产生不利影响。

4 抑制谐波的措施

  谐波治理措施主要有加装交流滤波装置、串联电抗器，改善三相不平衡，增加系统承受滤波能力，采用有源滤波器、无源滤波器等新型滤波器等抑制谐波。

4.1 使用无谐波污染的绿色变频器

  绿色变频器的特点是：输入与输出电流都是正弦波，输入功率因素可以有效控制，能够获得工频点任意可控的输出频率。其内部的交流电抗器不仅可以有效抑制谐波，还能够避免整流桥受到电压瞬时尖波的影响。研究表明，带电抗器的谐波电流远远低于不带电抗器的谐波电流。

4.2 使用无源谐波滤波器

  无源谐波滤波器是由电抗器同电容器串联所构成的LC回路，并联于电路系统。首先需要确定滤除的谐波频率，然后将LC回路的谐振频率设置成与其相一致即可进行滤波。但是该类型滤波器的滤波效果不太理想，若谐振频率设定不当会与系统产生谐振。

4.3 使用有缘谐波滤波器

  有源谐波滤波器的工作原理为在其内部设置电子元件，通过产生一个与系统谐波频率相同、幅度相等、相位相反的谐波电流，从而同系统中存在的谐波电流相抵消达到消除系统谐波的目的。通常情况下，在有源滤波的额定无功功率范围内能够实现100%的滤波效果。然而由于内部电子元件的耐压性，使得额定电流受限，导致制造过程比较复杂，成本极高，所以使用相对较少。

5 案例分析

5.1 故障现象

天津市新天钢冷轧薄板有限公司连续退火机组入口段焊机故障频发，表象为焊机行走莫名其妙停车。入口段以最大速度充套时由于工艺要求电解密度恒定，三套电极板电解电流也为最大。

5.2 故障原因分析

  通过统计发现该故障发生时多为入口段焊接完成，起车充套阶段，该时段入口段以最高设定速度运行（650m/min）。通过Starter软件监测发现此时焊机行走电机变频器母线电压急剧上升，可达到750VDC（正常情况下应该为530VDC）。入口段焊机辅助进线和电解板进线系同一供电（LC2#）。同时，课题攻关小组人员实时测量了该变频器进线谐波值。所以，通过借助专业软件工具分析，基本可以判定为焊接结束后入口段以最大速度启动充套时，出于工艺需求电解电流非常大，三相不平衡随之产生的奇次谐波严重干扰了焊机行走变频器的供电质量。而该变频器进线并没有设置进线电抗器进行滤波。所以导致了母线电压突变，变频器异常报警停车。

5.3 解决方案

  通过实地勘察，我们确定了两套解决方案。一，将焊机行走变频器上口新增进线电抗器，增加滤波功能。二，将焊机辅助供电与电解板供电分开，焊机辅助单独辐射一路，规避干扰。通过实施第二套方案，我们将该故障彻底消除。通过专业软件监测测量，该变频器母线电压维持在530VDC左右，并且非常稳定。

6 总结

  综上所述，谐波在供配电系统中产生的原因、产生的危害以及相对应的解决措施进行了案例剖析。 谐波有效治理能够有效提高店里系统的综合性能，对于降低损耗、节约电能、确保相关设备使用寿命具有重要意义。随之科学技术的不断提升，必然会有更为完善的解决措施，使整个电力系统的供电质量也随之升高。

作者简介：郭万平，男，工程师，2006年6月毕业于天津渤海职业技术学院工业自动化专业，现任天津鞍钢天铁冷轧薄板有限公司副总经理。