低压配电系统谐波电流影响分析及抑制措施

【摘　要】在非线性电气设备运行中时常会产生谐波电流，若没有得到有效的处理，会直接影响到低压配电系统的运行安全。本文介绍了低压配电系统谐波电流的危害和现状，结合谐波特点分析了谐波电流对低压配电系统的影响，并提出一些有效的抑制措施。

【关键词】低压配电系统；谐波电流；电容器；抑制措施

随着我国社会经济建设步伐的不断加快，科学技术水平得到进一步的提高，开关电源、整流器和变频器等非线性电气设备使用越来越频繁，对供电系统的电能质量要求有所提高。在非线性电气设备运行过程中势必会产生谐波电流，这不仅影响到配电系统本身的正常运作，而且也会影响到其他电气设备的安全。谐波电流导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，已成为了低压配电系统的一大公害。因此，如何降低谐波对配电系统的危害成为了技术人员急需解决的问题。本文分析了谐波电流对低压配电系统的影响，寻找有效的抑制措施解决谐波危害，保证配电系统的正常运行。

1.谐波的危害

理想的电网提供的电压应该是标准频率和规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现使用电设备所处的环境恶化，对用电设备和通信系统带来了很大的危害，由谐波引起的设备故障不断发生。

2.工厂低压配电系统谐波的现状

在工厂中强电、弱电多个系统并存，高压（35kV、6kV）、低压（380V、220V、24V）多种电压等级并存，交流、直流多种供电制并存，所以有效抑制谐波电流创造更好的电磁兼容环境，是保证生产流程正常运转的首要任务。

工厂内存在大量的非线性电气设备，归纳起来有以下几种。

2.1　变配电室直流屏

在工厂内有变配电室自用电的直流屏、6kV变电所操作系统的直流屏。此类设备含有高频开关整流（三相桥）模块、充电器等，所以会产生谐波电流，主要产生5次及7次谐波电流。

2.2　电解整流系统

工厂内存在电解铅整流系统，包括ZHSZK-1600型6kV整流变压器及KIIS-8000A/135V型大电流整流柜等设备，其采用三相双反星形桥式整流方式，产生大量的5、7次甚至更高次的谐波电流。

2.3　风机、水泵用变频器和软起动器

功率较大的风机和水泵电机均配置了变频器或软起动器，以达到改善起动条件及运行节能的要求。变频器及软起动器主要采用三相桥式整流（6脉冲），主要产生5次或7次谐波电流。

2.4　弱电系统电源

工厂内弱电系统很多，有设备控制系统（PLC控制）、厂区通信系统、厂区监控系统等。其中许多电子设备均使用开关模式电源，从而使各弱电系统内产生大量的3次及高次谐波。

2.5　气体放电灯（高压钠灯、荧光灯等）及镇流器

为满足照明节能及照度要求，厂内各类办公室多采用荧光灯，厂房构筑物大都采用高压钠灯，厂区道路照明大都采用节能灯或高压钠灯。

上述荧光灯、高压钠灯、均为气体放电灯，电路中含有电弧，电弧的负阻特性（电弧电阻随电流增大而急剧减小）产生谐波电流。这些光源的电子镇流器功耗低，可提高光源寿命，所以在厂内的照明系统中大量使用。电子镇流器在整流后，再将直流逆变为高频交流电，在此过程中产生谐波。高压钠灯、荧光灯和镇流器主要产生3次谐波电流。

2.6　检修电源

厂内的检修作业，难免产生电弧。电弧的负阻特性会产生谐波电流，但由于产生电弧的检修工作时间很短，对电网影响不是很大。

3.谐波电流对低压配电系统造成的影响

3.1　变压器

谐波电流使变压器铁损、铜损增加，同时使温度上升并产生噪声。变压器损耗的加大，会使绝缘介质老化加速、寿命缩短。

由于谐波电流的存在，变压器额定容量可能会加大，从而使变压器利用率降低，增加了建设成本。

低压配电系统中，配电变压器均采用/Y型接线方式，这给零序谐波（3次及3次的整数倍次谐波）在变压器一次侧绕组内提供了环流通路，从而抑制了3次谐波向电源端的传导。但变压器的这种接线方式并不能阻止其他频率谐波传到电源端，而且无论谐波电流是否被传到电源端，所有的谐波电流均会使变压器损耗加大。

3.2　电动机

谐波电流会使电动机损耗增加、利用率降低。电动机损耗的增加使线圈温度上升并使电动机寿命降低。尤其是负序谐波对电动机产生的影响及危害会更大。谐波相序的划分，它表示了电动机中相对于基波磁场的旋转方向。

由表1可见5次、11次等谐波便是负序谐波，它所产生反方向的旋转磁场会使电动机的转矩下降，它和正序分量一起会使电动机产生抖动，随之产生噪声。谐波电流使电动机功率下降，要保证电动机输出功率，就需增加输入电流，从而造成功率损失，温度上升。

3.3　电容器

为提高功率因数及配电变压器的利用率，工厂各车间的6/0.4kV降压变配电室0.4kV母线上都设置了电容器补偿柜。由于并联电容器容抗随电流频率的增加而减小，电容器组对谐波电流的低阻抗特性表现出了对谐波的吸收作用，所以电容器组具有一定的滤波作用。谐波电流的存在可能会使电容器过流发热，甚至击穿绝缘。尤其是当发生某一谐振时，谐波电流会很高，情况更为严重。

目前电容器组前一般串联电抗器，但由于设计原因，现有电抗器的电抗率太小，根本起不到抑制谐波的作用，只起到了限制电容器合闸涌流的作用。

3.4　电线电缆

由于零序谐波电流在中性线上的叠加，所以为照明系统、自控系统、监控系统、通信系统等负荷供电的电缆宜选用中性线与相线等截面的电缆，这点在规范中也有相应的条款。交流电流的集肤效应，尤其是高次谐波的集肤效应却尚未引起注意。交流电流趋向于在导体的外表面流动，称为集肤效应。特别是5次（300Hz）以上的谐波，集肤效应更加显著。集肤效应会导致电线电缆阻抗增加、温度升高、损耗增加，甚至绝缘损坏而引起事故发生。在为非线性设备配电选择电缆时，电缆的额定容量需适当降低，以便留出适当的容量裕量。

3.5　其他

工厂低压配电系统内谐波电流的存在，还会引起许多不良现象，如继电保护的误动作或拒动、弱电回路产生干扰、电子设备误触发等。

4.抑制谐波电流的措施

通过以上分析可知，谐波污染对于工厂低压配电系统的危害是相当大的，而随着现代电子设备的不断发展与应用以及设备装备水平的不断提高，电力电子设备越来越多，谐波电流量逐步增加，谐波问题会越来越严重。因此，需要在工程设计中充分考虑如何更好地抑制谐波电流。

4.1　变配电室电容补偿使用带电抗的补偿系统

（1）原理分析

如图1串联谐振电路的阻抗曲线所示，曲线①为电抗器电抗XL=ωL，曲线②为补偿电容容抗XC=1/ωC，曲线③为电抗器与电容器串联后的阻抗X。f0为此谐振电路的谐振频率，此处阻抗为零。由谐振条件XL=XC，可得到f0=fe/2P，其中fe为系统额定频率，P为电抗率。其中f0应低于电路中含量较多的最低次谐波。串联谐振电路对于高于f0的谐波呈感性，消除了谐振现象。对于远低于f0的基波呈容性，从而起到电容补偿的作用。

（2）应用分析

由负荷类型统计可知，工厂低压配电系统的非线性负荷产生的谐波主要为3次（150Hz）及5次（250Hz）谐波。如图2所示，取电抗率P为12.5%，使f0=141Hz，得到曲线①，可见此曲线对于3次谐波呈现低阻抗，大量的3次谐波电流被它吸收。但此曲线对于5次谐波则呈现高阻抗，使其对于5次谐波的吸收几乎为零。另取电抗率P为4.5%，使f0=236Hz，得到曲线②，此曲线对于5次谐波呈现低阻抗，两条曲线相结合有效地抑制了3次及5次谐波。

可见选用双电抗系数（12.5%+4.5%）的非调谐滤波设备，对于该厂这样以3次、5次谐波为主的低压配电网络在技术上是可行的。将两种电抗系数的电抗分别与步长一半容量的电容串联，即12.5%电抗器+15kvar电容与4.5%电抗器+15kvar电容作为一组（设电容步长为30kvar），在补偿系统内根据负荷的变化情况将若干组分组轮换投切。这样带电抗器的电容补偿系统，既可实现提高功率因素的功能，又可达到抑制谐波、净化电网的功能。

4.2　适当加大低压电缆及低压柜中母排的中性线截面

工厂变配电室电容补偿使用带电抗器的补偿装置后，可以使变压器的损耗减少，进而可提高变压器利用率。但低压配电系统内为非线性负荷配电的电缆及低压柜母排的中性线中还是有大量谐波电流的。

为了防止中性线过热而引发事故，应适当加大中性线截面。例如，给气体放电灯供电的照明回路，在三相负荷分配平衡时，中性线截面与相线截面相同；在三相负荷分配不平衡时，为满足中性线负荷在不过载的情况下运行，中性线截面可能会比相线截面大一级。对于为非线性负荷供电的电缆，其中性线截面宜与相线相等，或是选择大一级的电缆。

5.结语

综上所述，低压配电系统谐波电流的防治是一项基础性的工作，是改善供电质量的重要手段。因此，需要技术人员加强电气设备的管理，积极进行谐波防治研究，在配电室目前上设置并联电容器集中补偿柜，并使用带双系统电抗器的补偿系统，进而对谐波电流进行有效的抑制，从而创造一个既安全又经济的低压配电系统。

参考文献：

[1]　刘庆伟；刘向东.谐波的危害与治理[J].机械制造与自动化，2011年03期.

[2]　李海；林威.电力系统谐波治理浅析[J].现代企业教育，2011年第12期.