从补偿电容无法投入说起――电力系统谐波影响及消除简单探讨

　　摘要：从补偿电容无法投入，谈谐波危害，分析谐波来源，提出治理谐波的初步建议
　　关键词：补偿电容、谐波、谐振、谐波源、谐波治理
　　随着个私经济特别是特钢和化学工业在我市的发展，我公司的供电量也不断的增长，为了使功率因素达到标准，必须投入补偿电容，但是这几个乡镇的变电所的补偿电容器却无法投上，强行投入后，电容器熔丝也会很快熔断。但根据其他变电所运行经验，在此功率因数下，无功电流不应大于熔丝熔断电流。这是为什么呢？
　　经过对该地区的供电现状分析，这是由于谐波引起的。所谓谐波，即理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。
　　谐波对于电网的危害非常大，主要表现在以下方面：
　　1.由于电网主要是按基波设计的。由于LC元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（其它设备主要是感性设备）配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。
　　2.使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了设备的效率，同时谐波会影响设备的正常工作，例如变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障，绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。
　　3.导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。
　　另外，谐波还会产生对设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。
　　既然谐波危害如此之大，那么谐波是如何产生的？又如何能减小它的影响和危害呢？
　　谐波来源
　　1、中频炉、电弧炉等设备是该地区谐波的主要来源
　　对该地区负荷进行分析，发现主要的原因是该地区特钢工业发达，中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波（2次到7次）以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主。这正是该地区谐波的主要来源。
　　2、用户变压器群是该地区谐波的重要来源
　　一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半，因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路（中性点不接地或三角形接线），励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变中，都是Y，yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。在该地区，现有35kV用户变压器5台，总容量400kVA，10kV用户变压器约800台，总容量330kVA.如此庞大的用户变群又成为了谐波的又一个重要来源。
　　3、谐波的其他来源
　　事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电如电镀、电泵等，生活用电中如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。
　　谐波治理
　　根据GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》规定，在0.4kV/10kV/35kV时，电网谐波电压谐波占有率分别不得大于4%/3.2%/1.2%.很显然，在该地区，电网已经严重 “污染”了。针对以上情况，为减少谐波产生的机会、减小谐波对对电网的危害，我们提出下列建议：
　　1.针对谐波源进行治理。
　　按"谁干扰，谁污染，谁治理"的原则，进行谐波源当地治理。即对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置。根据装置的原理不同，可分为无源电力滤波器（PPF）和有源电力滤波器（APF）。
　　无源电力滤波器利用电容、电感谐振的原理"吸收"阻止相应次谐波，从而保证电压畸变率处在较低水平。一般根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，分别设置滤波装置。
　　该地区已有用户装设了此类无源滤波补偿装置。装设5、7次滤波装置，采用可控硅自动投切，在滤除谐波的同时，对无功也进行了补偿。但此类无源装置不能满足对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求。同时还要注意不能在滤除某次谐波时，LC参数恰好是另一个谐波的谐振参数，而使此谐波放大。
　　而有源电力滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器，它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后，再完整地复制出大小相等、方向相反的谐波，并接入电网，将谐波抵消，其产生的谐波随谐波源的变化而变化，是一种新型的滤波装置，但费用较高。
　　2.改变部分运行、接线方式，减小谐波的产生、叠加、放大、产生危害的机会
　　增加电网的短路容量、提高电气设备的短路比，来降低谐波对同一电网上其他设备的影响。
　　加强运行时的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，以减少谐波电压过高对系统电器设备的影响；
　　有意识的将配变中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。在可能的情况下，接成Δ，yn形，将谐波在高压侧消化。
　　3.在设计中注意避开谐波产生谐振的机会，减小带来的影响
　　根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T 16-923.3.10 “为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内，宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时，如选用较低电压不能符合要求，宜选用较高电压。”也就是中频炉等大功率非线性用电设备在选型时，尽量选择较高电压。
　　在无功补偿设计中除了应注意避免并联电容器与系统感抗的谐振，除了验算基波外，还需要验算3、5、7次等主要谐波，避开这些参数，防止在该次谐波发生谐振。
　　“谐波污染”已经成为电网内三大公害之一，只有各方面都重视起来，进行治理，才能还电网一个干净的环境。