谐波分析在配电网规划设计中应用探讨论文「配电网规划设计」

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1.1 谐波的概念

谐波是指频率为基波频率整数倍的一种正弦波。由于电网有非线性元件和非线性负载的存在，使得电网的电压或电流的波形不仅仅是频率为50 Hz的正弦波（又称基波），还含有与基波频率(50 Hz)成整数倍和分数倍频率的其他正弦波。这些正弦波就称为电网的谐波。谐波分为高次谐波和分数谐波，高次谐波的频率高于基波频率，分次谐波频率为基波频率的分数倍。电力系统中的谐波主要是高次谐波。

1.2 产生来源

电力系统中的谐波源主要有：

（1）铁磁饱和型：铁磁饱和特性呈现非线性的多种铁芯设备,如变压器、电抗器等其。

（2）电子开关型：在系统外部常用的各种交直流换流装置以及双向晶闸管可控开关设备等，广泛应用于多个领域；在系统内部,如直流输电中的整流阀和逆变阀等。

（3）电弧型：在熔炼电弧炉的熔化过程中以及在交流弧焊机的焊接过程中，电弧被点燃并且剧烈的波动是高度非线性的，导致不规则的电流波动。 非线性在电弧电压和电弧电流之间表现出不规则、随机变化的伏安特性。

2 谐波危害

2.1 危及供配电线路

供电和配电网络系统中的电力线和电力变压器通常由电磁继电器，电感继电器或晶体管继电器检测和保护，从而在发生故障时确保线路和设备的安全。由于继电保护装置受谐波影响，容易发生拒动或误动，严重威胁电源和配电系统的稳定安全运行。

谐波会使配电网的电压和电流波形失真。 例如，民用配电系统中的中性线将由于诸如荧光灯，调光灯，计算机等的负载而产生大量的奇次谐波。在该相线上的三个整数倍叠加在中性线，导致中性线的电流值可能超过相线上的电流。此外，相同频率谐波的有功功率和无功功率不断产生，从而降低了电网电压及大量消耗了电网的容量。

2.2 危及电力设备

谐波增加了电容器的端电压，大大增加了通过电容器的电流和功率损耗。当谐波含量高时，电容会过流和过载，功率损耗增大，导致电容器发热异常。特别是当电容器被放入电压失真的电网中时，电网的谐波会加剧。 此外，谐波的存在倾向于使电压呈现尖点波形，从而在介质中引起局部放电。这些现象都将加速绝缘介质老化，缩短电容器的使用寿命。

谐波会增加变压器的铜损，包括电阻损耗、导体中的涡流损耗以及导体外部的杂散损耗。谐波也增大了变压器的铁损，增加了磁芯中的磁滞损耗，两者成正比。此外，谐波还导致变压器噪声增大，甚至发出金属声。

谐波会增大异步电动机的额外损耗，并导致电动机在严重情况下过热。特别当负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场并形成与电动机的旋转方向相反的扭矩时用作制动器，从而减小电动机的输出。此外，当频率接近部件的固有频率时，电动机中的谐波电流使电动机机械振动，从而产生非常大的噪声。

谐波电流使全电磁型断路器铁耗增大并产生高热，并且由于电磁铁和涡流而难以跳闸；热磁型断路器因为集肤效应与铁耗产生大量热，导致额定电流减小；对于电子型断路器，谐波还必须降低其额定电流，特别是对于检测峰值的电子断路器，额定电流将减少更多。得出，所有类型的配电断路器都可能由于谐波而故障。

谐波通过电磁感应干扰通信，引起通讯噪声或回路信号误动等。引起谐波干扰的因素很多，比如谐波电压、电流、频率及线路长度等。

在谐波和负序的共同作用下，许多具有负序滤波器的保护和自动装置可能发生故障，甚至因为频繁误动而退出运行。同时电力系统的故障记录仪也会发生误动，并影响实际故障的记录。

综上所述，配电网中变流设备产生的谐波在对电网及设备造成谐波污染的同时，存在电网运行的安全隐患，不利影响甚至威胁电网的稳定运行。

3 配电网规划设计中的谐波抑制方法

通过分析谐波对配电网以及电力设备的危害，电力系统的稳定运行受到超标谐波的极大威胁，因此进行谐波治理非常重要。在配电网规划设计中，综合考虑抑制谐波不仅能提高设备运行的可靠性，提高电能质量并减少经济损失；再者，降低设备因谐波电流产生的损耗及发热，降低设备维护费用并延长设备使用寿命。另外，谐振概率能通过谐波治理适当减少，避免影响信息传输。

3.1 谐波源改造

3.1.1 调增整流变压器的相数

调增带有整流元件设备的整流相或者脉动数，这样可以更好地消除低阶特征谐波。通常在规划和设计中，考虑调增相数的措施可以减少谐波源产生的谐波含量。由于供电系统中的主要谐波源是整流器，交流侧产生的高次谐波为tk±1次谐波，随着脉动谐波次数的增加，可消除5、7等次谐波。因此该方法对消除低次谐波非常有效。但是因为其在实际使用中的投资成本较大，并且性价比不高，所以仅对于大容量的整流器装置负载适用。

3.1.2 整流器功率因素改造

高功率因数整流器是通过改造整流器本身以使谐波最小化而同相的电流和电压的组合装置。该整流器可以称为单位功率因数转换器。在设备设计过程中尽量考虑提高整流器功率因素，可有效抑制谐波。

3.2 加装谐波补偿装置

谐波补偿装置作为改造谐波源本身抑制谐波方法的有效补充，它的效果也非常显著。谐波补偿装置包括无源滤波器、有源滤波器和混合有源滤波器等等。

（1）无源滤波器

无源滤波是指由电容器、电抗器和电阻器组合为滤波装置进行滤波。这样的滤波装置，一般就近吸收谐波电流，对抑制谐波污染效果明显。无源滤波器的工作原理为：和它呈现低阻抗的某一频率的谐波被无源滤波器吸收。其有结构简单、造价低、高效可靠及安装维护便捷等优点，因此被广泛应用于抑制谐波及无功补偿。

但是，由于无源滤波特性受系统影响较大、只能消除特定的几次谐波、和无功补偿及调压协调困难、谐波电流增大时可能造成滤波器过载、消耗大等缺点。这些缺点使得无源滤波使用受到局限。

（2）有源滤波器

随着电力电子技术的发展，考虑无源滤波器的优缺点，有源滤波器应运而生。区别于无源滤波，有源滤波更可靠和响应速度快，对谐波的补偿次数范围也较广，还能实现抑制闪变和无功补偿等功能。有源滤波更改进了不受系统参数的影响，可消除谐振，并且具有自适应功能实现自动跟踪补偿变化谐波等优势。

（3）混合有源滤波器

将无源滤波装置与有源滤波装置组合在一起，形成混合有源滤波器滤波；或者针对谐波源，一部分采用无源滤波器滤波，一部分采用有源滤波器滤波，形成混合互补的滤波组合。

4 实例

通过配电网规划设计中可考虑的谐波抑制方法讨论，本文以一台110/6 kV变压器（容量40 MW）接入电网，主要负荷为6 kV高压电机以及部分0.4 kV电机这样的网络为例，详述设计加装滤波器进行谐波抑制的案例实现。在保证系统无功满足要求的基础上，就地加装电抗器进行无功补偿。考虑到变压器、电动机及电抗器均为主要的谐波源，为满足谐波要求，计划加装滤波器进行谐波补偿。电力网络结构如图1所示：

现有网络未进行补偿时，利用电力系统分析软件NEPLAN进行谐波计算，如图2所示。

经NEPLAN谐波计算，主要母线与主要元件的谐波数据见图3和图4。

6 kV母线BB_A的电压谐波含量：36.96%,110 kV母线BB_110kV谐波含量：4.48%。

根据上述计算结果，发现主要的谐波源为电抗器SHUNT_A。为减少系统谐波分量，投入滤波器FILTER_A抑制其谐波,滤波器的参数如图5所示：

经NEPLAN再次进行补偿后的谐波计算，其结果如图6所示：

比较发现，将滤波器FILTER_A投入电网后，系统谐波明显减小：母线BB_A的电压谐波含量从36.96%下降为13.56%,110 kV母线BB_110kV谐波含量从4.48%下降为1.64%；同时，系统电流谐波也大幅降低，NET_110kV从15.37%下降为5.75%，SHUNT_A从15.71%下降为5.82%。

5 结论

近年来，低压配电网谐波分析与治理技术的研究已经成为电力系统领域的重要课题。由于非线性设备的广泛使用，给配电网带来大量的谐波污染，在引起事故的同时严重降低了电能质量。在配电网规划设计时，根据配电网络的现状和未来发展需要，合理规划谐波治理方式，实时分析与测量电力系统及非线性设备的谐波含量，减轻其带来的危害十分必要。

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作者信息:

杨满天，陶丁涛，李婷婷，李新强，凌永祥，杨 熙

（南宁供电局，广西 南宁 530029）