低压配电室谐波分析与防控
本文探讨了低压配电室谐波电流会增加变压器的铜损耗和杂散损耗，使电力电缆产生集肤效应和临近效应，输电损耗增加，电缆升温，加速老化，带来事故隐患等问题。
【关键词】谐波 次数 治理
谐波能够降低用电系统的电能质量，降低功率因数，增加无功损耗，提高电费开支；与此同时，谐波干扰还会造成进线开关无故跳闸、电子设备故障等，使设备运行过程不稳定，使用寿命随之缩短。由于谐波污染的这些负面作用，为了保护电网的顺畅运行，国家拟在IEC和我国GB/T14549标准的基础上出台新的强制性规范以限制电网中的谐波含量。只有防治谐波，减少谐波污染，才能真正提高电力系统各项设备的利用率，并有效降低成本，保障平稳运行。解决谐波问题，是保证配电系统安全、经济、平稳运行的关键。
解决谐波危害必须从源头开始，针对其产生的原因以及谐波的特性有针对性的采取措施。
1 关于配电系统谐波
配电系统的谐波，狭义上是指在工频50Hz基波上叠加的杂波。以傅立叶分析法为工具可以将谐波分为频率为50赫兹整数倍的正弦波，该倍数被用来计算谐波的次数，即100赫兹的波形为2次谐波，350赫兹的波形为7次谐波。一般来说，低压配电系统主要受到奇数次谐波的影响。
谐波对配电系统的影响由来已久，主要表现为两个方面：
（1）低压非线性用电设备导致的谐波产生
现代化设备的产生给人们的生活带来便利，但也造成了低压配电系统内大量谐波的产生，例如用于会场、剧场和体育场等大型场馆的调光设备，企事业单位计算机中心及个人电脑，打印机、复印机、传真机等办公设备，不间断电源（UPS），用于恒压供水和中央空调系统的变频调速器，采用新型变频技术（VVVF）控制的电梯，新型照明灯具（节能灯、采用电子镇流器的日光灯），以及其他一些采用电子整流技术的设备。这些设备导致了配电系统中谐波的产生，使用电设备的效率降低，用电负荷加大，浪费电能，增加了用电成本。如果用电设备长期过负荷运行，还有可能会带来安全问题。
（2）无功补偿电容器加剧谐波影响
配电系统运行过程中，往往会在所有的配电柜中安装无功补偿电容器，其本意是为了降低各类损耗，节约能源，降低成本，使设备使用效率增加，但这些电容器在没有谐波污染的环境中使用可以取得理想的效果，但系统中如果存在谐波，电容器就会将谐波电流和谐波电压放大，从而使谐波的影响进一步加大。
如果要形象地说明谐波对配电系统的污染，可以用污水对水资源的影响来比喻。有些污染是可见的，浅层的，直观的，短暂的，但有些污染则是不可见的，深层的，间接的，累积的。前一种污染易于发现，致力简便，而后一种污染则难以察觉，不易处理，往往会带来配电系统的重大安全隐患。
谐波污染的负面作用主要表现在：
（1）谐波的影响：谐波导致电源波形产生畸变，使输出的电能质量降低；
（2）谐波造成的损失：a.谐波会降低配电系统的功率因数，并使无功电能的损耗增加。b.由于谐波产生的发热和力矩都会缩短用电设备的使用寿命，使其加速老化，增加故障的可能性，使维护和维修耗费的人力、物力增加。c.谐波导致的无功电能浪费电力，增加用电成本。
（3）谐波的危害：a.建筑用电系统往往需要使用大量的开关电源类单相负荷，常见的包括照明设备、计算机及相关外设、办公设备及其他仪器仪表，这些负荷主要产生三次谐波，主要汇聚到零线上，造成零线因超负荷而发热，严重的还有可能烧断，这一过程会导致接入的单相用电设备因瞬间过电压而烧毁，同时导致设备金属外壳带电，给人身财产安全造成极大的威胁。b.某些精密电子设备比较敏感，如果经常有谐波进入就会导致信号漂移、采样错误等问题，甚至还可能因芯片电压升高而烧毁。c.谐波会对无线电通路产生干扰，甚至有可能导致通讯无法正常运行。
（4）谐波污染的主要表现：a.变压器异常。比较常见的是变压器产生异常振动或异常温度升高，噪声变大；b.电容器发热，使用寿命急剧缩短，不得不经常更换；c.电容器的保护装置——熔断器经常出现非正常熔断现象；d.工频电流表的读取数值远高于设备运行的估算电流。在配电系统中，一般结合功率因数进行功率补偿，将高性能的滤波电容器与高线性滤波电抗器串联后组成滤波补偿系统，在补偿功率的同时吸收系统中存在的谐波。主要技术指标为：滤波电容器过电流能力I≥2.0×In（额定电流），滤波电抗器线性度≥1.75×In，电抗系数为5.5%（3次谐波分量很小或不存在）或12.5%（3次谐波分量比例较大或为主要谐波分量）。在谐波情况比较复杂的配电系统中，一般可以采用组合系数的无源滤波器。补偿功率的同时抑制和吸收不同频次的谐波，使谐波水平能够降低。其主要技术指标为：滤波电容器过电流能力I≥2.0×In（额定电流），滤波电抗器线性度≥1.75×In，电抗系数为5.5% + 12.5%。
2 谐波治理技术
当前，主动的消除式滤波（Active Harmonics Filtering）和被动的吸收式滤波（Passive Harmonics Filtering）是治理谐波的通用技术。
主动式滤波即有源滤波器，将IGBT技术用作开关元件，借助DSP（数字信号处理）和PWM（脉宽调制）技术，首先检测配电系统中的谐波分量，并根据检测出的谐波分量，产生一个移相180度且幅值相等的反谐波，在谐波源头处注入系统，从而达到消除系统中谐波的目的。这一技术的主要优点是能够清除系统中几乎全部谐波电流，清除效率高达97%。由于无需计算系统的感抗容抗，还能够对三相电分别滤除，因此不会因为投入容性负荷导致过补和电压波动。在操作和使用过程中，也只需要根据系统中的谐波电流值对有源滤波器进行选择和配置即可。其主要缺点是价格昂贵，资金投入大。
被动式滤波采用的是LC回路原理，将一个电抗器串联在电容器前，使该回路的感抗和容抗比值尽可能小甚至趋近于零，从而使LC回路中的谐振频率接近或近似等于系统中的谐波频率，从而起到吸收谐波电流的作用。
作者单位
唐山三友集团兴达化纤有限公司 河北省唐山市 063305
