諧波的定義
諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證實(shí)，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以I區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、14，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為lOOHz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。
2 諧波的危害
理想的電網(wǎng)所提供的電壓，應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值，但當(dāng)一用戶設(shè)備產(chǎn)生較大諧波電流時(shí)，對(duì)電網(wǎng)是一種污染，它使本身設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對(duì)周圍的用戶和公共電網(wǎng)設(shè)備帶來危害，大致有以下幾個(gè)方面：
2.1 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率(如電流諧波增加了電動(dòng)機(jī)的銅耗、電壓諧波增加了電動(dòng)機(jī)的鐵耗等)。大量的3次諧波流過中性線時(shí)會(huì)使線理路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
2.2 諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波也會(huì)引致電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。
2.3 諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振從而使諧波放大，這使上述2.1和2.2危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。
2.4 諧波會(huì)導(dǎo)致繼電，保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。
2.5 干擾計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常工作，對(duì)電子線路設(shè)備造成不穩(wěn)定工作狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)以致無法正常工作，或因設(shè)置的參數(shù)波動(dòng)較大，影響正常使用。
同時(shí)，因系統(tǒng)中諧波電流普遍存在，諧波電流造成的電氣設(shè)備故障及受電設(shè)備故障與日俱增，對(duì)其潛在的危害，容易誘發(fā)事故，提高成本代價(jià)，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益造成損失。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)每年有近數(shù)百億元的損失。種種跡象表明，諧波已逐漸成為影響電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行、劣化電能質(zhì)量的潛在威脅。
3 諧波干擾實(shí)例
案例：鶴山某工廠自投產(chǎn)以來，在供電網(wǎng)正常供電的情況下發(fā)生多次設(shè)備自動(dòng)跳閘故障，造成生產(chǎn)線非計(jì)劃停運(yùn)，給工廠帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。為此，技術(shù)人員對(duì)廠內(nèi)供電系統(tǒng)進(jìn)行了故障分析和研究。根據(jù)工廠記錄，導(dǎo)致停電事故的電網(wǎng)瞬間電壓異常現(xiàn)象，但相鄰的其他工廠同時(shí)段并沒有出現(xiàn)相同跳閘故障。經(jīng)過該廠的用電設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，發(fā)現(xiàn)該廠主要生產(chǎn)塑膠印刷制品，屬于連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)，低壓配電網(wǎng)中使用了大量變頻調(diào)速電機(jī)，可能存在較為嚴(yán)重的諧波污染。
為此，在廠內(nèi)低壓供電系統(tǒng)設(shè)了6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括兩臺(tái)專用變壓器的低壓出線和四路饋線，接線圖如圖1-1：
通過連續(xù)的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流波形頂部都出現(xiàn)了較大的畸變?nèi)缦聢D：
分析圖1-2：電流波形的頂部產(chǎn)生了較大的畸變，波型呈明顯的矩形波，表明電路中存在較多的非線形負(fù)載，受其影響電流產(chǎn)生的諧波波成份較多，波形也產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，實(shí)測(cè)中峰值電流為4.55KA，電壓在325V至-337V之間波動(dòng)。
分析圖1-3：#1號(hào)變壓器出線電流總畸變率達(dá)到34.1%，遠(yuǎn)超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的5%。諧波分布主要為3、5、7、9、11次，可能對(duì)設(shè)備損造成嚴(yán)重沖擊。諧波分量主要為高次諧波，諧波的產(chǎn)生使用電設(shè)備效率下降，產(chǎn)生能源浪費(fèi)。
從上述的監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，其電網(wǎng)公共接入點(diǎn)諧波含量超標(biāo)，從波型上看應(yīng)該是典型的變頻調(diào)速裝置造成的。變頻設(shè)備雖然會(huì)產(chǎn)生容性無功，可抵償部分電感性動(dòng)力設(shè)備的無功需求，但會(huì)產(chǎn)生大量的諧和波電流，同時(shí)該廠使用了大量的電子式節(jié)能燈具，此類燈具也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生大量的諧波污染。各類諧波在某瞬間疊加后可能會(huì)產(chǎn)生較明顯的浪涌沖擊，由于客戶的設(shè)備大多數(shù)使用PLC(Programmable Logic Control的縮寫，意思是可編程邏輯控制器，)，當(dāng)由于諧波引起的浪涌沖擊嚴(yán)重影響了該電子模塊的正常運(yùn)行，出于設(shè)備的自動(dòng)保護(hù)特性，出現(xiàn)設(shè)備停機(jī)的現(xiàn)象。
4 諧波的治理現(xiàn)狀
4.1 客戶諧波污染問題認(rèn)識(shí)不足
我國(guó)1993年頒布GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定：注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流≤16安)》，要求購(gòu)置的用電設(shè)備，經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)，符合該標(biāo)準(zhǔn)限值才允許接入配電系統(tǒng)中。《電業(yè)營(yíng)業(yè)規(guī)則》第5章第55條也明確規(guī)定：電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電壓正弦波畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流不得超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549的規(guī)定。用戶具有非線性阻抗特性的用電設(shè)備接入電網(wǎng)后運(yùn)行所注入電網(wǎng)的諧波電流和引起公共連接點(diǎn)電壓正弦波畸變超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用戶必須采取措施予以消除。否則，供電企業(yè)可中止對(duì)其供電。
但在實(shí)際工作中，由于客戶都對(duì)此認(rèn)識(shí)不足，諧波治理工作往往被認(rèn)為是供電部門的工作，使客戶端的諧波問題一直得不到有效的控制。當(dāng)供電部門提出要客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，往往很難得到客戶的支持和配合。
4.2 缺乏有效的管理機(jī)制
盡管國(guó)家已經(jīng)明確規(guī)定了，諧波治理依據(jù)“誰污染，誰治理”的原則。但由于缺乏有效的制約手段，在實(shí)際工作中，供電部門往往只能對(duì)有治理意愿的用戶采取措施，用戶處在諧波管理的主導(dǎo)地位，這使客戶端諧波管理顯得十分的被動(dòng)。
同時(shí)，由于諧波治理往往需要投入較大的資金，這使諧波治理面臨著實(shí)際運(yùn)作的困難，目前電網(wǎng)中大量用戶中存在諧波源，但真正落實(shí)措施治理的卻屈指可數(shù)。
4.3 缺乏有效的技術(shù)支持
諧波治理工作是一項(xiàng)專業(yè)性極強(qiáng)的工作，需要有專業(yè)力量去完成監(jiān)測(cè)、分析和治理。而事實(shí)上，供電部門，尤其是基層供電單位，極度缺乏此類專業(yè)人才，造成諧波治理工作瓶項(xiàng)。
5 加強(qiáng)諧波治理的措施
諧波治理是個(gè)系統(tǒng)工程，諧波問題的解決需要供電部門、用戶及設(shè)備制造商的協(xié)調(diào)合作。為了減輕和限制諧波的影響，可以從管理措施和技術(shù)措施方面加強(qiáng)對(duì)諧波治理。
5.1 管理措施
5.1.1 加強(qiáng)對(duì)諧波管理工作的常態(tài)化 供電部門必須把諧波管理納入日常的生產(chǎn)管理中，通過制定《客戶端諧波管理辦法》，明確諧波管理的管理機(jī)構(gòu)、管理方式、管理標(biāo)準(zhǔn)等主要方向，從制度上強(qiáng)化諧波監(jiān)督管理。
5.1.2 加強(qiáng)對(duì)諧波治理隊(duì)伍建設(shè) 由于諧波的產(chǎn)生復(fù)雜多樣，專業(yè)性、技術(shù)性強(qiáng)，因此，必須建立專業(yè)的諧波治理隊(duì)伍完成對(duì)客戶端諧波的監(jiān)測(cè)、分析和治理。對(duì)沒有條件建設(shè)諧波治理專業(yè)隊(duì)伍的，可以選擇與社會(huì)上具有較強(qiáng)技術(shù)力量專業(yè)機(jī)構(gòu)合作，完成對(duì)諧波管理技術(shù)支持。
5.1.3 建立設(shè)備準(zhǔn)入制度 變頻器、整流器的結(jié)構(gòu)、型號(hào)各式各樣，生產(chǎn)廠家亦良莠不齊，所以有必要建立供電系統(tǒng)的準(zhǔn)入制度，把設(shè)計(jì)落后的產(chǎn)品、達(dá)不到抑諧標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備拒于系統(tǒng)外。
5.1.4 建立良好的客戶關(guān)系 用電客戶作為諧波治理重要的參與力量，是諧波治理的基礎(chǔ)。大力向用戶宣傳諧波的危害，爭(zhēng)取用戶的支持合作。可通過走訪用戶、舉辦電能質(zhì)量講座等形式，提高用戶對(duì)電力系統(tǒng)的了解及電能質(zhì)量問題的認(rèn)識(shí)，建立雙贏的供用電關(guān)系。
5.2 技術(shù)措施
5.2.1 改造整流設(shè)備的換流裝置 對(duì)于改造整流設(shè)備的換流裝置，采取特殊的接線方式或?qū)⑾鄶?shù)較少的換流變壓器聯(lián)結(jié)成等效的多相形式，增加換流器相數(shù)，或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，有效的消除較大的低次諧波。
5.2.2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(簡(jiǎn)稱SVC裝置) 對(duì)于中頻煉鋼爐、電弧爐、電力機(jī)車、卷揚(yáng)機(jī)、軋機(jī)等用電負(fù)荷不穩(wěn)定，變動(dòng)頻率較高的設(shè)備，不僅會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的高次諧波，而且極易引起電業(yè)電壓的波動(dòng)和閃變。甚至造成系統(tǒng)三相嚴(yán)重的不平衡，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。采用SVC與諧波源并聯(lián)，不僅有效的減少諧波量，而且具有抑制電壓波動(dòng)、閃變，增加系統(tǒng)阻尼，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，保證電網(wǎng)質(zhì)量的功能。
5.2.3 采取技術(shù)措施加強(qiáng)電容器管理 由于當(dāng)頻率增加時(shí)電容性電抗就減少的特性，電容器對(duì)供電電壓的諧波分量特別敏感，即相對(duì)較小比例的諧波電壓可以引起很大的電流流入電容回路。如果電容器組或電力系統(tǒng)所連接的電抗的自然頻率接近與一個(gè)特定的諧波，就會(huì)發(fā)生局部諧振，在這種情況下，增高的電流就會(huì)引起電容器的過熱，可以采用以下的方法：①并聯(lián)諧波濾波器或諧波抑制電抗器;②有源電力濾波器;③混和濾波器。
5.2.4 交流濾波裝置能夠有效的吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，降低諧波電壓，是抑制諧波“污染”的有效措施之一。由于其一般由電容器、電抗器、電阻器等根據(jù)一定技術(shù)要求組合而成，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，一次性投資較少等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。
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