电网的谐波污染和监测

摘要：随着社会经济、技术的发展，电能质量也日益受到也来越多的关注。技术的发展恶化了电能质量，同时也对电能质量提出了更高的要求。谐波是电能质量重要的技术指标之一，因此关注“谐波污染”是提高点能质量的重要方面。本文从谐波着手，阐述了谐波对电网本身及电网用户的危害；提出了对谐波的长期的监测是对谐波治理行之有效的必要手段，也从技术管理层面分析了如何有效治理谐波，提高电能质量。

关键词：谐波污染 谐波监测

良好的电能质量是保证电力设施和用电设备安全、可靠、高效运行的基础。随着生产和技术的发展，用电负荷日益增长，电力系统规模的不断扩大，以及系统中线性负荷不断增加，电力系统受到的“谐波污染”也越来越严重，加上电力系统可能出现的内外故障，这就大大恶化了系统的电能质量。由于节能和环保要求的不断提高，与此密切相关的电能质量问题日益受到更多的关注。对电能质量实施有效控制，已逐渐成为提高设备运行质量和节能降耗的重要方面。

一、电能质量及谐波的概念

一个理想的电力系统应以恒定的频率（50Hz或60Hz）和正弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差120°的对称状态。因此，在输配电系统中常用频率、有效值、波形质量和三相电压的对称度来描述其运行状态的优劣。由于系统运行状态的变化、电网规划的不恰当、电力负荷本身存在的各种问题以及其他不可预见的电力系统故障等原因，理想状态在实际运行当中并不存在，因此就提出了电能质量的概念。

谐波问题一直是主要的电能质量问题。治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命．改善电磁环境，提高产品的品质。

谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。导致波形失真的原因是非线性负荷的存在。谐波失真水平可以用每个单一谐波成分的幅值和相位描述，也可以用某一个特定的参数，如谐波失真度来描述。谐波失真度或畸变率（THD）是评价电力系统中谐波含量的主要指标，它定义为各次谐波分量总有效值与基波分量有效值之比。

电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交、直流换流站的晶闸管控制元件，晶闸管控制的电容器、电抗器组等。但电力系统谐波更主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧。对于这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。其谐波含量取决于它本身的特性和工况，基　本上与电力系统参数无关，因而可看作谐波恒流源。这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，使系统各处电压含有谐波分量。变压器的激磁回路也是非线性电路，也会产生谐波电流。荧光灯和家用电器单个容量不大，但数量很多且散布于各处，电力部门又难以管理。

二、谐波的危害

谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。短时停电、电压骤升或骤降会影响许多特殊行业的生产过程，降低生产工效和产品质量，也将造成直接的经济损失。

三、谐波对计量的影响

感应式电能表只在工频附近很窄的频率范围且电压、电流为正弦波条件下才能保证最佳的工作性能。大量的研究结果表明，当系统中电压、电流波形因各种原因偏离正弦有畸变时，感应式电能表的测量准确度将下降。这主要是因为在负载上当基波电压、电流不变而含有谐波时，电能表电压线圈阻抗和转盘阻抗都会变化，导致电压工作磁通和对应的电流磁通变化，从而影响电能表的计量精度。

相对于感应式电能表而言，电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较准确计量，但值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待，这样计量误差会增大。

四、谐波的在线监测

清楚了谐波的危害，采取必要的治理措施是当务之急。但是，在制订治理方案之前，势必要对电网中存在的谐波情况有一个比较准确的了解。通过技术和管理上完善的手段，可以有效地监测谐波污染并及时治理。

4.1谐波监测主要方面

（1）谐波情况的普查。测量电网中的谐波电压、电流和谐波潮流及其方向，以查明谐波源，为采取措施、控制电网谐波含量提供依据。

（2）谐波监测点的设置。在电网中谐波源或其他谐波畸变严重的连接点上设置谐波警报器或谐波电流、电压表，监视该点谐波变化情况，以便及时采取限制措施。

（3）新的谐波源负荷接入电网时的检测。在谐波源负荷接人电网前后，均应进行谐波测量，以便为研究谐波源接入电网需要采取的措施提供依据。检查谐波源接入电网后其谐波含量是否超过允许值。

（4）谐波事故分析。在电网或电气设备出现异常或故障时，要进行谐波检测分析，如属谐波（特别要注意谐振和放大）造成的故障，则应采取措施，予以消除。

4.2谐波监测手段--Fluke1760三相电能质量分析仪

目前，国内外有多款的电能质量分析仪，相关监测和测试设备也是种类繁多；但是各测试产品质量良莠不齐，有些设备实际上不能准确地反映电能质的实际问题。从《电能质量——公用电网谐波》（GB/T14549-93）的标准来看，只有具备电能质量统计和分析功能的电能质量分析仪，才是真正满足需求，真正符合“电能质量国家标准”的电能质量分析仪。

在这里我们选用的是Fluke1760三相电能质量分析仪，其技术特点是：完全满足IEC61000-4-30A级标准，GPS时间同步，非常灵活、完全可配置参数的限值和电压电流变比，可自定义算法和测量选项，不间断电源，10MHz、6000Vpk波形捕获能力，2GB数据存储空间，即插即用，坚固的现场应用设计，电隔离和直流耦合。同时配合其分析软件，Fluke1760能完全胜任当前的谐波检测，并给出分析结果，实现报表打印。

Fluke1760的优越性在于：

（1）详尽的扰动分析：能进行高速瞬变分析，揭示设备故障的根源，以便进行事后补救和预测性维护。快速瞬变选件具有6000V的测量量程，可以捕获非常短的脉冲，例如雷击等。

（2）满足A级标准：在用户引入线处检查输入电源的电能质量。具备A级符合性的Fluke1760能够提供毋庸置疑的依据。

（3）将多个地点的事件相关联：利用GPS时间同步功能，用户可以快速检测到是哪里首先发生了故障，是设施外部还是设施内部。

（4）同时测量独立的电力系统：仪器具有电气隔离和直流耦合的电压输入，可对不同处的电力系统进行完整的测量。例如，Fluke1760在诊断UPS系统的故障时，可同时记录电池电压和功率输出。

（5）电能质量和电力载荷研究：在安装之前，通过评估电能质量来确认与关键系统的兼容性，以及在增加载荷之前检验电气系统的容量。

4.3谐波监测效果

通过Fluke1760及其分析软件PQ　Analyze可以获得实时的谐波监测信息，如图1所示；能及时发现谐波污染。

同时通过Fluke1760的分析软件能给出详尽的分析资料，为谐波的治理提供了有力的依据。

图2为某用户B相电流谐波的实测数据，在对此用户的长期监测中，通过Fluke1760获取其24小时内的谐波数据，直接分析出其谐波含量，通过与标准比较可以直接知道其五次谐波超出规定值。十分直观准确的知道次用户是否为谐波用户。

五、解决谐波的一些手段

对电力系统的高次谐波进行综合治理，通常从两个方面入手，一方面针对谐波源本身，另一方面在电网内部采取措施进行抑制，使之在规定范围内。采取的主要措施有：

1）合理装设无源交流滤波器（Filter　Compensation，简称FC）这种途径是现阶段最常见、最实用、也是最有效的抑制高次谐波的措施。无源滤波装置由电力电容器、电抗器和电阻器联结成的交流滤波器组合而成，运行中它和谐波源并联。除作滤波外，兼作无功补偿。滤波装置通常包括数组单调谐滤波器和一组高通滤波器。常用于工程实际的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加。高通（宽频带）滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制，即可以通过参数调整，形成该滤波器回路对某次及以上次谐波形成低阻抗通路。

2）装设有源滤波器（Active　Power　Filter，缩写为APF）APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它的主要特点是：滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性；APF作为改善供电质量的一项重要技术，在工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用，但在我国的中压配电网中应用APF还有一定的难度。

3）增加整流器脉动数或改善谐波源特性整流装置是供电系统中的主要谐波源，其在交流侧所产生的高次谐波为P±1次谐波，即整流装置从6脉动谐波次数为n=6k±1，增加到12脉动时，谐波次数n=12k±1（k=1、2、3……），可以消除5、7、17和19次谐波，并且谐波电流的有效值与谐波次数成反比。可见，增加整流器的相数，可以有效地消除低次谐波。

4）改善供电环境，合理选择电压等级如设法加大系统的短路容量，提高谐波源负荷的供电电压等级。由专门线路为谐波源负荷供电等措施。虽然改善供电环境是在设计阶段完成的，但这点很重要，因为这样做，既可以完善接线形式，减少不必要开支，同时为优化设计，给谐波治理带来许多便利，为今后的发展打下好的基础。

六、结束语

随着电力电子与信息技术在社会各个领域的渗透应用，一些新型电力负荷对电能质量的要求不断提高，电能质量已成为电力企业和用　户共同关心的课题。谐波污染的治理不光要从技术方面解决，同时需要有效的管理手段；如设置谐波计量装置，对谐波进行计量，从管理上有效提高电能质量。

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