关于我厂电力系统中谐波现状浅析

摘要：随着我厂变频器非线性电力设备的广泛应用，我厂的电气控制技术有了一个质的飞跃，给节能降耗工作起到了很大的作用，收到了良好的经济效益，但同时随着变频器等非线性设备的应用，非线性设备产生的谐波对电力系统的污染也逐渐的暴露了出来，而且会越来越突出，必须对此问题进行研究解决，降低对电网和用电设备的影响，此文对此进行了一些分析。

关键词：谐波;非线性电气控制技术;变频器

一、谐波给我厂电力系统造成的一些危害

电能质量的好坏，直接影响到我厂工业产品的产量和质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。

随着3#4#焦炉的建设，非线性电气控制技术在我厂的应用有了一个开端，随后3#4#焦炉干熄焦、5#6#焦炉的投产， 5#6#焦炉干熄焦的投产，我厂非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。举个常见的例子来说，去年8月在5#6#焦炉电力系统接点时，由于5#6#焦炉设计的10KV负荷全部在干熄焦变电所，需要将干熄焦的部分设备移位改造，提升机变压器停用，倒运在干熄焦综合电气室二段，干熄焦正常生产，生产了约半小时后，造成与提升机供电柜最近的皮带系统故障停机，任何故障显示没有，随后开机正常生产，运行电流均正常，半小时又出现停机，检查后未发现异常，再次开机观察，发现在提升机下降时造成皮带系统停机，判断为谐波造成电子元件误动作，随后倒运负荷后生产恢复正常；今年全公司进行了节能灯改造，电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行，的确比常用的白炽灯好，不仅亮度高又省电，而且使用寿命也长，但是相反，在大量投运节能灯后，我们发现节能灯的损坏率大大提高，这是由于节能灯是非线性负荷，它产生较大的谐波污染了这一片区域的电网，造成三相负荷基本平衡情况下，中心线电流居高不下，线电压与相电压之比比1要小得多，造成了该片区域电网供电质量下降，用电设备发热增加，电网线损增加，使得该区域的线路及部分照明灯具发热严重，灯具损坏较多，严重影响了灯具和线路的使用寿命。因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理，使谐波分量不超过国家标准。

二、我厂电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。我厂3#4#焦炉干熄焦发电机组和5#6#焦炉干熄焦发电机组发出的电能送至动力厂三总降变电所，然后送至我厂干熄焦10KV开关站，为3#4#焦炉干熄焦、5#6#焦炉、新运煤、运焦系统、二回收、5#6#焦炉干熄焦等用户提供电力。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。此两台发电机组采用的隐极机，隐极机的谐波分量较多，同时可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时，由于电机的磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。造成干熄焦倒运变压器十分困难，由于谐波的影响，干熄焦变电所各供电回路之间存在明显的电压差，到变压器低压侧最大可达20V,倒运变压器时低压侧变压器之间形成很大的环流，造成受电开关迅速跳闸，此故障已多次在倒运变压器时出现，目前干熄焦倒运变压器十分困难，有时需停产倒运，今后5#6#焦炉、新皮带系统、二回收、5#6#焦炉干熄焦存在同样的问题，但这还不是影响电网电压质量的主要矛盾。影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，我厂使用的主要非线性用电设备是已广泛使用的变频器、变频空调、电脑、电子整流器、电焊机等设备。变频器产生的谐波占主导地位。我厂目前所使用的高压变频器有5台，中压变频器有一台，低压变频器已在全厂广泛使用。

变频器的主电路一般由交-直-交组成，外部输入的380 V/50 Hz 的工频电源经三相桥路晶闸管整流成直流电压信号后，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关器件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅里叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR 大功率逆变器件，其PWM的载波频率为2耀3 kHz，而IGBT大功率逆变器件的PWM最高载频可达15 kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

此外，交-交型变频器通过一套可关断晶闸管和斩波技术，不经过整流这个环节，把电网工频直接变成交流调速电机所需要的交流频率。交-交型变频器除了向电网系统注入高次谐波外，还注入谐间波（即频率不是工频倍数）电流。谐波电流的频率和含量随电机的工况变化而变化。同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。去年请专家对我厂所有低压配电室的谐波情况进行了一次全面测试，发现各配电室不同程度存在谐波，尤其干熄焦提升机控制室，7次谐波分量达到440A，5次谐波和11次谐波分量也达到了240A,此谐波分量在提升机下降过程中最为明显，一旦提升机在下降时电网电压稍有波动，将造成逆变器快速保险烧断，此故障已出现过三次。同时提升机有时出现一些故障后查不到原因，后使用正常，真正的原因应该是谐波造成的干扰。

三、变频器谐波的特性及变频器谐波的危害

变频器谐波有功功率是由非线性负荷产生；变频器谐波有功方向与基波有功方向相反，即由用户端送入电网；对于变频器谐波源用户而言，其计量入口处的总有功将是基波有功和谐波有功之代数和（实为相减）；非线性负荷在其工作过程中将基波的部分功率转变成谐波有功，谐波有功将在网络内流动，并在各输配电元件和其他设备中产生损耗和干扰。