电力系统谐波分析

【摘 要】电力系统中共2只变压器，总容量为4000KVA。用电设备为直流电机驱动，变频器大量运用，用电过程中产生了大量的谐波，同时电流严重滞后于电压，功率因数极低，对系统造成了不良后果，主要是：1）系统存在较严重的谐波电流、电压，注入公共连接点后，污染了公用电网。同时给企业自身造成变压器温升过高，附加损耗增加、线损增加，影响公司内部办公系统计算机运行不正常，造成电能资源浪费等问题，给企业带来了一定的经济损失。2）无功冲击较为严重，已造成35KV母线电压波动、压降较大。3）大量的谐波和无功冲击给供用电系统带来了安全隐患。本人多年一直从工厂电气管理工作，对谐波治理工作积极参加改造工作，对谐波产生的原理积极探索。在镇江供电部门协作下，谐波治理取得显著效果。本文主要从谐波产生的危害，谐波的危害防治手段，提出了一套有效的防治手段，为日后解决谐波产生的危害的防治具有较大参考价值。

【关键词】谐波干扰；谐波危害；防治手段

1 电力谐波的来源

1.1 输配电系统方面

因为变压器里面的铁心具有磁饱和性，而且变压器的铁心饱和后是非线性的，由于工作在磁通密度高的环境，更易产生谐波，所以产生的谐波危害频率很大。

1.2 多种电器设备的装置方面

在电子整流的设备中，电子整流设备，谐波晶闸管整流装置采用的是移相控制，它从电网吸收缺角的正弦波，留给电网的也是缺角的正弦波，显然留下的这部分缺角正弦波中含有大量的谐波。

2 电力谐波的危害性

2.1 电力谐波对输电线路的影响

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10% 以下含量高达40% 时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统。

2.2 电力谐波对变压器的影响

谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度， 谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言， 会大大增加励磁电流的谐波分量。

2.3 电力谐波对电力电容器的影响

当电网存在谐波，含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，不仅使电容器运行电压的有效值增大，而且可能使峰值电压增大很多，使电容器在运行中发生局部放电时电弧不能熄灭，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命，在谐波严重的情况下，还会引起电容器过负荷击穿甚至爆炸。

2.4 对通讯系统工作产生干扰

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时， 在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压， 干扰通信系统的工作， 影通信线路通话的清晰度， 甚至在极端的情况下， 还会威胁通信设备人员的安全。

2.5 对公用电网的危害

（1）谐波电流使输电线路、发电机、电动机、变压器产生附加损耗、温度升高， 导致网损增大， 并使发电机、电动机、变压器振动和噪声增加。

（2）使异步电动机的转矩曲线发生严重畸变， 不能达到额定转速运行，导致用户的异步电动机大批损坏。

（3）这些谐波中的较低次谐波谐振会使换向不稳。

（4）若电网谐波较大， 会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用， 导致单相重合闸失败， 或不能采用较短的自动重合闸时间。

（5）谐波电流会对通信、继电保护装置、自动控制装置产生干扰， 引起继电保护装置的误动等。

（6）造成电容器的损坏。电力系统中的谐波对并联补偿电容器有较大影响：增加介质损耗， 使电容器温度升高， 导致电容器热击穿；引起或加剧介质内部的局部放电， 促使电容器损坏。据统计因谐波而损坏的的电器设备中， 电容器占40%。

2008年12月8日，我公司遣派现场工程师，对35KV400V整流变进行现场谐波测量，测量结果如下：

1）35 KV整流变400V进线处谐波数据：

H5H7H11H13THD备注

谐波电压（%）4.30.41.40.24.8%

谐波电流（A）4.143.240.963.2428.4%

2）35 KV整流变低压测量数据：

H5H7H11H13THD

Y绕组谐波电压（%）4.12.34.61.78.7%

谐波电流（A）40747831635.5%

D绕组谐波电压（%）4.71.751.69.6%

谐波电流（A）33317832033.3%

3）功率和功率因数：

有功功率无功功率视在功率功率因数

1608 KW3190 KVAr3573 KVA0.45 PF

3 采取的主要措施

主要技术参数：总补偿容量：1880 KVAr 安装容量：5100 KVAr

滤波补偿支路2条 基波补偿量：390 × 2 KVAr

H4-1 滤波补偿支路2条 基波补偿量： 80 × 2 KVAr

H4-2 滤波补偿支路2条 基波补偿量： 40 × 2 KVAr

H7 滤波补偿支路2条 基波补偿量：270 × 2 KVAr

H11 滤波补偿支路2条 基波补偿量：160 × 2 KVAr 。

4 项目效果

设备投入运行后，经测量达到了以下效果：

4.1 注入公共连接点的谐波电压、谐波电流已达到了GB/T 14549-93标准要求

电压总谐波畸变率分别为3.6%和2.5%，已在国标范围内，各次电压谐波均在国标限值范围内。

约值：S = 1.732×U0×I0-1.732×U1×I1 = 804 KVA

视在功率节省率：= 24.5%

4.2 变压器损耗节省值

4000 KVA变压器的短路有功损耗查数据手册取Pk = 50 KVA

短路无功损耗取Qk=U k*Se

取无功经济当量λ = 0.1，则节省的有功损耗为：

PB = （S1/ Se）2 ×（Pk+λQk）-（S2/ Se）2×（Pk+λQk）

其中S1为补偿前视在功率，S2为补偿后视在功率

计算得：

PB =24 KW

4.3 线路损耗

有功功率为P，平均功率因数为cos？准1 = 0.50，平均线损率为r

则在装置投入前线损为：

Ps1 = Pr

投入后，功率因数提高到cos？准2 = 0.90，线损下降到Ps2，有功损耗下降值为：

Ps = Ps1- Ps2

Ps = Pr cos？准1/ cos？准2（下转第42页）

（上接第71页）设λ1 = tg？准1，λ2 = tg？准2

又 Q = Ptg？准

所以：

Cb = Ps/Qc= 2cos2？准1tg？准2r

其平均降损当量为：

Cb = r cos2？准1（λ1+λ2）

r一般为2%，则：

Ps/Qc = 0.02×0.5×0.5（1.732+0.4843）= 1.11%

补偿1920 KVAr，所以线损减少：

1.11% × 1920 = 21KW

4.4 谐波能量也源于基波，故滤除后也能节省可观的能量，但难于精确计算。

4.5 有功总节约值：

P=24 + 20= 44 KW

按每天24小时，每月30天，则日节电量：44*24 = 1056 KWh

电费以1元计，则日节电费：1056 KWh*1 = 1056元

谐波滤除装置既能满足无功补偿的要求，又能滤除谐波，节能降耗效果明显，同时谐波滤除装置比无功补偿电容器组安全，适应在谐波状态下运行，不会与系统在整次谐波下发生并联谐振，严重放大谐波。谐波滤除装置给各种设备以洁净的电力环境，保证精密设备安全工作，延长设备寿命。

5 结语

本公司的方法实践证明行之有效，通过谐波治理和节能技术在电气方面的应用，大大提高设备安全运行和降低企业的用电量，提高企业的核心竞争力，本人参与的电气设备技能改造取得了良好经济效益，日常管理也得到领导好同事的认可。希望管理水平和节能技术能

为企业的发展贡献更大的力量。

帝高力35kv/400v 配电电气图（图1）：

图1

公司配电柜图（图2）：

图2

【参考文献】

[1]郭宏.变频控制在热力企业中的应用[J].太原科技，2010，3：59-60.

[2]王勇，陈德赋，李国常.节能与环保.2010，3：32-35.

[3]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.

[4]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版.