浅析谐波治理技术及在变电站中的应用

摘要：谐波是电力系统中的常见危害，会对电力系统的安全运行产生一些潜在安全影响。谐波危害大，特性非常复杂，谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中其他负荷的性质有关。因此，谐波分析及治理尤为重要。本文主要就是针对谐波治理技术及在变电站中的应用来进行分析。

关键词：谐波治理技术；变电站；应用

中图分类号：TM411文献标识码： A

1、谐波的界定及产生原因

由于交流电网有效分量为工频单一频率，任何与工频频率不同的成分都被称为谐波。通常来说谐波的展现是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍数。由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。因此来说在电网运作的过程中非线性负荷是形成电网谐波的主要原因。通常在电网中主要具有非线性负荷的是UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等，通常来说以上电网中常用到的设备是谐波产生的主要源头设备。

谐波电流对电力系统有很大的危害，而且这种危害是多方面的，不但可以产生谐波损害，降低发电、变电和用电设备的使用效率，而且会加速电缆的老化，甚至会损害电缆，破坏电力系统机电保护装置的作用，并对供电系统的通信和控制信号的稳定性造成影响。谐波电流对供电系统的危害主要表现在以下几个方面：

（1）对电容器造成破坏。谐波电流的危害最明显的就是对并联电容器的影响。谐波电流不仅会增加电容器的损耗，影响电容器的作用，还会增加电容器的无功输出，导致系统线损增加。同时谐波过电压和电流也会导致系统中的电容器过热，谐波过大会直接损坏电容器。

（2）让继电保护和自动装置出现误动作。随着自动化技术在供电系统中的应用，供电系统中的自动化装置、设备越来越多，其中继电保护和自动装置是主要自动化设备。谐波会让系统中的继电保护装置产生误判，导致其出现误动作，这种情况下一旦出现问题继电保护装置就难以发挥保护作用。

2、谐波治理

对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，从而把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有以下措施：

2.1、无源并联滤波器

通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于系统中通常含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。

因此，采用无源串联滤波器治理某水库谐波。

2.2、无源串联滤波器

由电感与电容串联构成的LC串联滤波器(见图1)，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。串联滤波器由电感和电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间，因此串联滤波器的“串联”二字具有双重意思:一个意思表示电感与电容串联，另一个意思表示串联在电路中使用。

图1串联谐振

图2中，激励源的频率f与电路的固有频率f0相同时，谐振发生。此时电路的等效阻抗最小，电流最大。XL=XCω0L=(ω0C)－1ω0=(√LC)－1f0=(2π√LC)－1。

图2串联谐振(阻抗与电流随频率变化)

电容和电感上的电压大小相等、方向相反。电容与电感互相充放电。

在三相电路中均接入串联滤波器(见图3)，由于串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小，而对谐波电流的阻抗很大，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。

图3串联谐振现象:电气接线图及等效电路图

（1）如何选取电感

由于滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。但是电感量越大则价格越高，损耗越大，从成本及损耗上去考虑问题则希望电感量越小越好。当电感的基波感抗小于负荷等效基波阻抗的50%时，不能实现良好的滤波效果(负荷等效基波阻抗就是负荷相电压有效值与相电流有效值的比值)。电感的基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗的50%。

（2）如何选取电容

电容器的选择与电感的情况不同，电感的匝数可以随意设计，而电容器的耐压只有固定的若干等级，不能随意设计。比如在低压配电系统中，就只有耐压230V与400V的电力电容器可供选择。由于电容器串联在电路中，电容器中的电流即为负荷电流，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过的电流等于电容器的额定电流，电容器得到充分的利用，因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。

实际的串联滤波器成本主要由电感与电容器的成本构成。串联谐振的电感与电容对基波的阻抗相等并且电流相同，因此电感与电容的基波工作电压相同。当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低，因此电感的实际工作电压应等于电容器的额定电压。电容器的额定电压等级大都与电网电压相当，如果电感的实际工作电压等于电容器的额定电压，相当于电感阻抗与负荷阻抗相当，可以取得最好的性价比。在这个基础上，如果提高电感的感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感的成本增加，电容器需要串联，成本急剧增加，性价比下降，因此电感的基波感抗大于负荷等效基波阻抗的200%没有实际意义，如果降低电感的感抗，则滤波效果下降，电感的成本降低，电容器的容量增加因此成本增加，性能价格比也下降。为了获得足够的可靠性，电感与电容器的实际工作电压应略低于电容器的额定电压。

3、某变电站的谐波治理

某市开发区存在着一定数量的工业企业，有一条电气化铁道穿过该区域，谐波电流对电网的影响比较突出。某变电站主要供开发区用电，是该市老城区向开发区过渡的一个中间变电站，为了保证整个开发区电网的安全运行，提供安全可靠的供电服务，需要对电网安装谐波电流滤除装置。

3.1、性补偿装置，分三组安装，每组滤波装置容量是6000kVar，由于国内的110kV谐波滤除装置成本比较大，德州市供电公司在这一方面也没有太多的经验，因此在技术上采用的是比较保守的方案，也就是在变电站的10kV侧配置无源滤波器，并可用作无功补偿装置。现场谐波实测值如表1、表2所示。

表1某变电站110KV侧谐波电流实测值

表2某变电站110kV侧谐波电压

该变电站滤波装置一共有三组无源滤波器，同时也可以作为无功补偿装置，谐波滤除器选用的是AAM型滤波电容器，接线采用双星型布置方式，使用LKGKL型电抗器，采用水平一列布置的方式，均采用室外安装的方式。

3.2、谐波滤除效果

在滤波装置上由于同时也是无功补偿装置，最大滤除3次、5次、7次的情况下，实际上的无功补偿量能够达到国家要求的补偿标准所要求的18MVar。经过测算使用以后谐波的畸变率从5.81%下降到3.72%，总体上能够达到谐波滤除的目的。但是由于滤除装置是安装在10kV侧，故其作用受到一定的限制。

总结

谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。谐波的危害主要表现在:影响变压器工作；影响继电保护及自动装置；增加电容器的损耗；增加输电线路功耗；增加旋转电机的损耗；影响通讯系统工作；影响换流装置正常工作；引起电力计量误差；影响其他设备运行等。

谐波危害大，特性非常复杂，谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中其他负荷的性质有关。因此，谐波分析及治理尤为重要。

参考文献

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