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諧波治理的必要性及案例分析

1 引言
        隨著科技發展 ，電子產品大量應用，電網中諧波大量產生 ，作為設計人員需要了解諧波的成因及危害 ，以便更好地防禦及治理 ，提高電能質量 。
        近年來 ，電氣產品行業出於節能和生產的需要 ，積極運用新技術 ，大量地運用了可控變流裝置 、變頻調速裝置等非線性負荷設備 。其所產生的諧波問題直接影響到了公用電網的電能質量 ，已引起人們的廣泛重視 。

2 諧波產生的原因及影響

2.1 諧波的成因
        電網中的諧波主要指頻率為工頻（基波頻率）整數倍成分的諧波及工頻非整數成分的間諧波 ，它們都是造成電網電能質量汙染的重要原因 。根據大量現場測試的分析結果證實 ，電力變壓器也是電力係統中諧波的一個重要諧波源 。電力變壓器的激磁電流 、鐵心飽和及三相電路和磁路的不對稱 ，致使在變壓器三角繞組的線電壓和線電流中也仍然存在三次諧波分量 ，尤其在負荷低穀時 ，隨著電網電壓的升高 ，變壓器鐵心飽和程度加劇 ，產生的諧波含量也隨之增大 。隨著電網大量電容裝置的投運 ，通過對現場諧波實測發現 ，諧波並不是隻有零序分量可被變壓器三角繞組所環路 ，而是波及全網 ，並給電容裝置及電網的正常運行帶來影響和威脅 。
        在民用建築中 ，UPS電源 、電子調速裝備 、節能型燈具及家用電器中的計算機 、微波爐等電力電子設備和電器設備應用的大量增加 ，以及醫院等特殊場合的放射X光機 、CT機等大型醫療設備等 ，使各類非線性負荷注入電網的諧波日益增多 ，造成電網電能質量的汙染的影響也越來越大 。在這些設備集中使用的地區 ，如醫院 、大型商場 、居民小區 、寫字樓 、酒店公寓等 ，諧波汙染已相當嚴重 。諧波汙染的影響使電能質量明顯下降 ，因此 ，對電能質量諧波汙染的抑製和治理已刻不容緩 。

2.2 諧波源的分析

2.2.1 電力電子設備
        電力電子設備主要包括整流器 、變頻器 、開關電源 、靜態換流器 、晶閘管係統及其它SCR控製係統等 。由於工業與民用電力設備常用到這類電力電子設備和電路 ，如整流和變頻電路 ，其負載性質一般分為感性和容性兩種 ，感性負載的單相整流電路為含奇次諧波的電流型諧波源 。而容性負載的單相整流電路 ，由於電容電壓會通過整流管向電源反饋 ，屬於電壓型諧波源 ，其諧波含量與電容值的大小有關 ，電容值越大 ，諧波含量越大 。變頻電路諧波源由於采用的是相位控製 ，其諧波成分不僅含有整數倍數的諧波 ，還含有非整數倍數的間諧波 。

2.2.2 可飽和設備
        可飽和設備主要包括變壓器 、電動機 、發電機等 。可飽和設備是非線性設備 ，與電力電子設備和電弧設備相比 ，可飽和設備上的諧波在未飽和的情況下 ，其諧波的幅值往往可以忽略 。

2.2.3 電弧爐設備及氣體電光源設備
①電弧爐在熔煉金屬過程中的非線性影響將產生大量的諧波
②氣體電光源包括熒光燈 、霓虹燈 、鹵化燈。根據這類氣體放電光源的伏安特性 。其非線性特性十分嚴重 ，同時含有負的伏安特性 。而氣體燈具工作時要與電感性鎮流器相串聯 ，並使其綜合伏安特性不再為負才能正常工作 。由於鎮流器的非線性相當嚴重 ，其中三次諧波含量在20%以上 ，其特性為對稱函數 ，隻含有奇次諧波 ，所有氣體電光源設備屬於電流源型諧波源 。

2.3 諧波對各方麵的影響

2.3.1 對電網的影響
①造成電網的功率損耗增加 、設備壽命變短 、接地保護功能失常 、遙控功能失常 、線路和設備過熱等 ，特別是三次諧波會產生非常大的中性線電流 ，使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值 ，造成設備的不安全運行 。諧波對電網的安全性 、穩定性 、可靠性的影響還表現在可能引起電網發生諧振 ，使正常的供電中斷 、事故擴大 、電網解裂等 。
②引起變電站局部的並聯或串聯諧振 ，造成電壓互感器等設備損壞 ；造成變電站係統中的設備和元件產生附加的諧波損耗，引起電力變壓器 、電力電纜 、電動機等設備發熱 ，電容器損壞 ，並加速絕緣材料的老化 ；造成斷路器電弧熄滅的時間延長 ，影響斷路器的開斷能力 ；造成電子元器件的繼電保護或自動裝置誤動作 ；影響電子儀表和通信係統的正常工作，降低通信質量 ；增大附近磁場的幹擾等 。

2.3.2 對用電安全的影響
①火災影響 。一些建築突發性火災已被證明與電力諧波有關 。目前 ，節能燈 、調光器和電器設備中開關電源的應用很普遍 ，本意是節能 ，但這些終端設備作為諧波源 ，對電網的危害很大 。經有關部門測定 ，應用電器設備較多的酒店 、商廈 、網吧 、計算機房 、居民小區等 ，在沒有采取濾波等措施前 ，中性線電流都很大 ，有些甚至超過線電流 ，導致過熱成為形成火災事故的重大隱患 。
②設備影響 。電能質量的汙染對繼電保護 、計算機係統和精密製造業的精密機械和儀器等 ，都可能影響正常的運行 、操作 ，降低設備正常使用壽命 ，甚至引起繼電保護誤動作而形成不必要的事故 ，造成不同程度的影響和損害 。
③通信影響 。諧波是電網幹擾通信的重要因素 ，主要通過靜電感應（電容耦合 ，電壓作用）和電磁感應（電流作用） ，在通信線路上產生聲頻幹擾 。諧波頻率高時 ，會發生雜音 ，在通信線路上引起音頻幹擾 ，嚴重時還可能觸發電話鈴響 。采用屏蔽電纜通信 ，雖可消除靜電感應的影響 ，但不能消除電磁感應的幹擾 。同時 ，對於存在多個中性點接地的配電網絡 ，當三相負載不對稱時，零線電流將對利用大地作參考電位的通信係統 ，造成參考電位漂移而產生幹擾 。

2.3.3 對各類電氣設備的影響
①對電力電容器的影響 。電網無功配置容量中電容器所占比例最大 ，其中用戶電容器約占全部電容器的2/3 。這部分電容器的設計大多隻考慮無功補償量 ，不考慮裝設點電能質量的實際汙染情況 。因此 ，運行點電能質量指標低時 ，常造成一些事故 ，如補償裝置投不上 、電容器使用壽命降低 、電容器保護熔絲熔斷 ，甚至發生串聯並聯諧振 ，引發電容器的諧波過電壓與過電流 ，導致電容器爆炸等 。另外 ，用戶電容器的管理目前仍按平均功率因數進行考核 ，電容器很少按電網實際運行情況投切 ，甚至隻投不切 ，無形中使電網電壓失去了應有的調節裕度 ，使電壓偏差等電網質量指標難以控製 。
②對變壓器的影響 。諧波電流使變壓器的銅耗增加 ，引起局部過熱 、振動 、噪聲增大 、繞組附加發熱等 。變壓器勵磁電流中含諧波電流 ，引起合閘湧流中諧波電流過大 ，這種諧波電流在發生諧振時的條件下對變壓器的安全運行將造成威脅 。
③對同步發電機的影響 。用戶的負序電流和諧波電流注入係統內的同步發電機 ，將產生附加損耗 ，引起發電機局部發熱，降低絕緣強度 。同時 ，由於輸出的電壓波形中產生附加諧波分量 ，使負載的同步發電機轉子發生扭振 ，降低其工作壽命 。
④對斷路器的影響 。諧波會使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作 ，斷路器的遮斷能力降低 ，不能遮斷波形畸變率超過一定限製的故障電流 ，對中壓斷路器截斷電流時可能發生諧頻湧波電壓和重燃現象 ，導致斷路器觸頭燒損 。
⑤對自動控製裝置的影響 。隨著數字控製技術的大規模使用 ，很多精密負載對受電電能質量指標提出了更高要求 。電能質量汙染對這類設備的危害主要有三個方麵 ，即在設備的監測模塊中引入畸變量 、幹擾正常的分析計算 、導致錯誤的輸出結果 。另外還會對設備的硬件 ，如精密電機 、開關電源等造成不可逆轉的損壞 。幹擾負載的保護回路 ，造成誤動作等 。

3 諧波治理的方式與措施
        綜上所述 ，由於諧波對電力係統及用戶的諸多影響與危害 ，必須采取有效措施來抑製電力係統中的諧波 ，目前國內外主要的治理措施有以下兩種 。

3.1 傳統的諧波抑製方法——無源濾波器
        電力無源濾波器即在電容器上串聯電抗器組成 ，其優點是結構簡單 、運行可靠 、維修方便 ，除濾波外還兼有無功補償的功能 ，容量可設計成很大 ，與有源濾波器相比 ，成本較低 ，現廣泛采用 。但是 ，無源濾波器同時也存在缺點 ，一方麵是無法對動態變化的諧波有針對性進行濾波 ；另一方麵是濾除效果一般 ，隻能達到50%-60%的程度 。

3.2 新型的諧波抑製方法——有源濾波器
        有源電力濾波器是一種新型諧波抑製和無功補償裝置 ，它不同於傳統的無源濾波器（隻吸收固定頻率的諧波） ，它實質上是一種大功率波形發生器 ，它把諧波源發出的諧波經過采樣 、180°移相後 ，再完整的複製出來 ，並送到諧波源的入網點 ，複製的諧波與諧波源產生的諧波幅值相等 、方向相反 ，並跟隨諧波的變化而變化 ，如此 ，諧波源產生的諧波就完全被抵消了 。有源濾波器按照其接入電網的方式 ，可分為兩大類 ，即串聯有源濾波器和並聯有源濾波器 。近年來為了發揮有源濾波器的優勢 ，又設計出串聯混合型和並聯混合型有源濾波器 。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點 ，但因為應運了大功率電力電子器件 ，其有功損耗較高 ，綜合成本比無源濾波器高出很多 ，故此在大容量的濾波器裝置上目前還未廣泛采用 。隨著微電子控製器和電力半導體器件的發展 ，有源電力濾波器的性價比會越來越高 ，而用於LC無源濾波器的電容和電抗的價格卻是呈增長趨勢 ，因此有源電力濾波器將是今後諧波抑製裝置的主要發展方向 。

4  ANAPF低壓有源濾波器在港口碼頭的應用案例
        港口行業的蓬勃發展 ，在帶動了其他行業發展進步的同時 ，對電能的需求量也逐漸增大 。港口中大量氣體放電類電光源,如熒光燈 、高壓汞燈 、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈,此類光源的非線性非常嚴重,有負的伏安特性 。隨著電力電子技術的發展 ，近年來國內港口所使用的設備普遍采用晶閘管供電的直流係統或交-交變頻調速係統 ，且數量逐年增長 。這些電能的變換裝置及其用電設備屬於非線性負載 ，是典型的諧波源 。它們在工作時不僅向電力係統吸收大量的衝擊性無功功率 ，影響電網電壓穩定性 ，而且還對電網注入大量諧波 ，嚴重影響電網電能質量 。

4.1 項目背景
        寶山羅涇碼頭自投入運行以來 ，港口的裝車吊機經常無故損壞 ，變頻器經常被燒毀 ，皮帶秤計量似乎也不準確 ，已經嚴重地影響了港口的正常運行 ，帶來嚴重的負麵經濟效益 。調查發現港口配電係統中裝有大量的變頻器 ，這些變頻器帶動驅動器從而使裝車吊機前後移動 。變頻器是典型的諧波源 ，產生大量的諧波 ，而且此類工程的負載容量通常都比較大 ，在交流側存在著很嚴重的諧波汙染 ，正是諧波導致了羅涇碼頭的問題 。
        因為該碼頭裝有大量的裝車吊機 ，負載波動比較大 ，而諧波量的大小和負載率有著密切聯係 。在負載率在一定的範圍內變化時 ，諧波電流有可能極大 ，在這種情況下係統的電壓會產生很大畸變 。這將會嚴重影響電機的正常運轉 ，同時還會大大縮短變壓器的使用壽命 。此外配電係統中還有皮帶秤和其他負載 ，皮帶秤是敏感設備 ，變頻器產生的諧波會通過傳導 、感應等方式對皮帶秤控製係統產生諧波汙染 ，進而導致皮帶秤工作抖動 ，影響計量準確度 ，同時對設備的壽命 、安全運行產生不利的影響,也給港口的經濟效益帶來了影響 。

 寶山羅涇碼頭供電係統中含有大量的變頻器 。變頻器是工業調整傳動領域中應用較為廣泛的設備之一 。變頻器的主電路一般為交－直－交組成 ，外部輸入的工頻電源經過整流電路變為直流電源 ，再經電容濾波及大功率晶體管開關元件逆變為頻率可變的交流電源 。在整流回路中 ，輸入電流的波形為不規則的矩形波 ，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波 ，諧波次數通常為6n±1次高次諧波 。
圖2所示為寶山羅涇碼頭變頻動力係統電壓及電流波形圖 ，電壓波峰很平畸變較為嚴重 。圖5顯示三相電壓畸變率均超過７% ，大於國標GB T14549-1993《電能質量　公用電網諧波》中所規定的5%的要求 ，嚴重的電壓畸變不但會影響設備的壽命 ，而且可能會釀成事故 。

4.2 治理措施及效果
        針對碼頭的具體情況，以治理諧波汙染為目的 。通過有針對性的諧波汙染治理 ，減少甚至消除其對配電係統的不良影響 ，保證電動機 、變壓器 、電纜 、其他設備的正常運行 ，提高功率因數 ，減少無功損耗 ，延長設備使用壽命 ，保障可靠供電 。
        根據寶山羅涇碼頭變頻動力係統負載分配情況 ，采用集中補償方式進行諧波治理，即分別在兩台變壓器二次側 ，也就是在A段和B段母線處安裝1台100A ANAPF有源濾波器 。
        治理後諧波情況明顯改善 ，電壓諧波畸變率由7%下降到2% ，電壓波形如圖6所示 ，波形幾乎是完美的正弦波 。治理後電流波形如圖7所示，電流諧波畸變率從50%降低到5%左右 ，諧波畸變率大大降低 。電壓電流諧波質量均已符合GB T14549-1993《電能質量　公用電網諧波》規定標準 。治理後減少了對皮帶秤中計量和傳感器等敏感器件的擾動 ，有效解決了皮帶秤的抖動和計量不準問題 。

 據反饋 ，自有源濾波器投運至今 ，裝車吊機運行故障率明顯降低 ，變頻器故障發生率由平均每月3-4次降到了每半年1次 ；皮帶秤故障由每月1次到不再出現故障 。大大提高了裝車吊機運行的穩定性和工作效率 。
5 結語
        綜上所述 ，隨著時代的變化 ，新事物 、新產品不斷推陳出新 ，加之高新技術的不斷應用 ，隨之而來的是用電環境越來越複雜 。本文僅是在諧波汙染方麵進行了一些淺述 ，由此可以看出 ，諧波的治理雖然需要一定的資金投入 ，但從長期來看 ，對設備的保護所帶來的經濟效益是十分明顯的，在用電安全方麵的改善所帶來的社會效益也是十分顯著的 。