■ 中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司、日立高新技術(shù)（上海）國(guó)際貿(mào)易有限公司大連分公司 王書暉 王書杰

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大量的信息技術(shù)設(shè)備和電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，同時(shí)也將大量諧波注入公用電網(wǎng)，給公用電網(wǎng)和用電設(shè)備帶來(lái)嚴(yán)重危害，干擾了人們正常的工作和生活，因此必須對(duì)諧波加以治理，提高電能質(zhì)量。

2 諧波的定義

供電系統(tǒng)對(duì)諧波的定義是對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到的頻率與工頻相同的分量為基波分量，得到的頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量為諧波分量。即：

A0:周期函數(shù)f(t)的恒定分量（或直流分量）

A1mCOS(w1t+ψ1)：基波分量，其周期或頻率與原周期函數(shù)相同

其他各項(xiàng)統(tǒng)稱為高次諧波，即2次，3次…

3 諧波源

諧波是由非線形負(fù)荷引起的，當(dāng)正弦波電壓施加在非線形負(fù)荷上時(shí)，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也āＨ缃駨V泛使用的負(fù)載大部分是非線形的，如整流器、變頻器、UPS、電梯、空調(diào)、氣體放電燈、復(fù)印機(jī)、家用電器等，根據(jù)資料記載，當(dāng)前重要的諧波源依次是電力整流裝置、家用電器以及大型電弧爐，這些非線形負(fù)荷的大量涌現(xiàn)，使得供配電系統(tǒng)中注入電網(wǎng)中的諧波電流增大，引起供電電壓畸變，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。如下圖所示，一個(gè)供配電系統(tǒng)終端所連接的非線形負(fù)荷引起的諧波電流流向電網(wǎng)在A點(diǎn)引起電壓畸變，從而使通過A點(diǎn)供電的所有設(shè)備都加上一個(gè)畸變電壓。

4 諧波的危害

根據(jù)以往同類項(xiàng)目測(cè)試報(bào)告分析，系統(tǒng)中存在大量的諧波會(huì)造成系統(tǒng)電能利用率低，造成了浪費(fèi)；造成系統(tǒng)電源畸變，影響了系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時(shí)還對(duì)其它供電及用電設(shè)備造成危害，縮短設(shè)備使用壽命，存在安全隱患，其主要危害表現(xiàn)為：

1）電力變壓器、電力線路，電流諧波將增加銅損，電壓諧波將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，及引起鐵心磁通飽和或歪斜，而產(chǎn)生噪聲。因此，諧波的泛濫將會(huì)嚴(yán)重地威脅用戶的供配電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2）電動(dòng)機(jī)：輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要有，引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，電動(dòng)機(jī)往往要降容使用，由于輸出波形失真，增加電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣，嚴(yán)重諧波還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失速，造成損壞。

3）電力電容器組：一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)定其最大電流只允許10%的超載，但實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于諧波的影響，以致常發(fā)生嚴(yán)重過載。由于電容器之阻抗，隨頻率的增加而減少，故諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器即成為一陷流點(diǎn)，流入大量電流，因而導(dǎo)致過熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電力電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到共振條件引起諧振時(shí)，會(huì)造成母線設(shè)備全部燒毀。

4）變頻、開關(guān)設(shè)備：由于諧波電流的存在，開關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高di/dt的電流變化率，致使增加暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值，以致破壞絕緣。

5）保護(hù)電器：電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤動(dòng)作。

6）計(jì)量?jī)x表：電能表等計(jì)量?jī)x表，因諧波而會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度，嚴(yán)重時(shí)造成儀表?yè)p壞，重要儀表價(jià)格昂貴，損壞會(huì)帶來(lái)巨大損失。

7）電力電子設(shè)備：在多種場(chǎng)合，電子設(shè)備常會(huì)產(chǎn)生諧波的電流源，且很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作。

8）其它還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。

9）酒店、辦公樓等大量節(jié)能燈、辦公設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的三次諧波，疊加到中性線上，產(chǎn)生3倍于相線的諧波電流，留下嚴(yán)重的安全隱患，據(jù)考證，70%的火災(zāi)由電氣引起，且大部分是中性線問題。

5 諧波的抑制

為限制供配電系統(tǒng)中諧波的傳播，提高系統(tǒng)中設(shè)備的抗干擾力，通常采取以下措施來(lái)治理諧波。

a將非線形負(fù)荷放置在系統(tǒng)上端,因?yàn)槎搪啡萘康慕档?，?huì)造成總諧波分量的降低，因此，宜盡可能的將非線形負(fù)荷連接至靠近電源端的位置，以利減小諧波的騷擾。

b將非線形負(fù)荷與敏感負(fù)荷分別由不同母線供電，以減少電源電壓畸變對(duì)敏感設(shè)備的干擾。

c對(duì)裝置中含有大功率設(shè)備或重要設(shè)備時(shí)，宜采用專用變壓器供電。

d合理選擇變壓器的接線方式，變壓器不同的接線方式，可以減少特定次數(shù)的諧波。Dy接線可降低3次諧波，DZ5接線可降低5次諧波，Dyd可降低5、7次諧波。

e選擇合適的濾波設(shè)備。

6 無(wú)源濾波器、有源濾波器的區(qū)別

目前，濾波器大體分為三類：無(wú)源濾波器、有源濾波器、混合濾波器。下面以表格的形式對(duì)無(wú)源濾波器和有源濾波器加以比較，而混合濾波器則是吸收了這兩種濾波器的長(zhǎng)處。

7 濾波器在改造項(xiàng)目中的應(yīng)用

對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行的配電系統(tǒng)，在進(jìn)行諧波治理前，必須采用專業(yè)的儀表對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行全面的諧波檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果制定相應(yīng)的選型方案。以下是施耐德AccuSine有源濾波器在內(nèi)蒙古某移動(dòng)公司UPS系統(tǒng)抑制諧波及節(jié)電改造項(xiàng)目中的應(yīng)用。本工程共有兩組高頻電源及6臺(tái)UPS，采用8臺(tái)AccuSine/3L-100A分別治理這8臺(tái)負(fù)載的諧波。諧波測(cè)量采用的儀表是FLUKE434的電能質(zhì)量分析儀，并利用其軟件進(jìn)行諧波分析，投運(yùn)數(shù)據(jù)按照這8臺(tái)負(fù)載的編號(hào)順序排列，下面僅給出一組投運(yùn)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

以上數(shù)據(jù)嚴(yán)格按照協(xié)定標(biāo)準(zhǔn)列出對(duì)比表格，數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)系統(tǒng)設(shè)備均為正常工作狀態(tài)，其中全部計(jì)算數(shù)據(jù)均在檢測(cè)5～10分鐘得出，選取全時(shí)段計(jì)算平均值的典型數(shù)據(jù)列出，測(cè)試取樣位置均為負(fù)荷電源進(jìn)線端，為濾波器針對(duì)補(bǔ)償?shù)恼鎸?shí)效果數(shù)據(jù)；測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在濾波器投入前，系統(tǒng)電壓、電流諧波注入值均超出相關(guān)協(xié)定標(biāo)準(zhǔn)，而在濾波器投入運(yùn)行后全部達(dá)標(biāo)，可以使供電質(zhì)量和用電環(huán)境得以優(yōu)化，可有效的保障UPS低壓配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行；同時(shí)，濾波器投入后使得設(shè)備工作電流大大減小，且開啟無(wú)功補(bǔ)償功能后，功率因數(shù)皆由原來(lái)的0.78～0.80升為0.94以上，達(dá)到了既濾波又有一定節(jié)能功效的效果。（注：協(xié)定標(biāo)準(zhǔn)為：濾波效果為電壓、電流畸變率小于5%）

《電氣裝置應(yīng)用（設(shè)計(jì)）指南》 施耐德電氣

《建筑物供配電系統(tǒng)諧波抑制設(shè)計(jì)規(guī)程》 DBJ/T11-626-2007