图外三谈谐波

　　摘要 : “图外三谈谐波”共三文：“一谈”为“概述”、“二谈”为“治理措施”、“三谈”为“讨论及建议”，总体给出谐波的整体轮廓及综合治理的理念。本文“三谈”系末篇，首先介绍了当前作法;接着对两个不成功、一个成功的案例展开讨论;最后阐述了综合治理建议的新思路及实施步骤。鉴于整个技术尚待发展、完善，不成熟的建议仅供参考。

　　此“图外三谈谐波”为继“图外谈照明”、“图外再谈照明”的姊妹篇，亦系沉思指导实践环节教学，以“图外谈设计”形式，倡“弹指CAD，勿忘据理论”的工程观。

　　关键词 :电磁兼容; 谐波抑制;无功功率补偿; 功率因数;电能质量

　　Abstract： There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This “third” article refers to the end section, it firstly introduces current practices; and then conduct discussion on two unsuccessful cases and one successful case; finally elaborates new thoughts and implementation procedures for comprehensive treatment. In view of undeveloped and imperfect technology, immature suggestions are only for references.

　　This article of the third "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.

　　Key words：Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy

　　中图分类号： R187+.7 文献标识码：A 文章编号：

　　1、当前作法

　　1.1谐波抑治

　　1.1.1主动治理 为使系统少产生谐波，尽可能降低谐波汚染，制定了下列各类规定：

　　1.1.1.1建筑物

　　1.1.1.1.1民用建筑物与高压、超高压输电线和雷达站之间保持足够的安全距离;

　　1.1.1.1.2除医院医技楼、专业实验室等，建筑物内不设置大型有电磁辐射的装置、核辐射装置和电磁辐射较为严重的高频电子设备。必须安装这些设备的医技楼、专业实验室等必须采取屏蔽措施;

　　1.1.1.1.3大功率射频干扰源的设备及安装设备的建筑物应采取屏蔽措施---板屏蔽、网屏蔽、室屏蔽。

　　1.1.1.2电气线路

　　1.1.1.2.1民用建筑低压配电，尤其是对用电负荷主要为单相用电设备供电的配电干线设计中，中性线(N)的截面不小于相线截面积。而对大量集中使用计算机、电视等电子设备供电的场合，TN系统配电回路的N及PEN线的截面积不小于相线截面的2倍;

　　1.1.1.2.2电子设备和元件较多的配电线路，选用有中性线过流保护的开关电器，且适当加大断路器的断流容量，防止短路故障因谐波干扰导至断流容量不足而损坏开关和设备;

　　1.1.1.2.3为X光机、CT机，核磁共振机等设备供电的变压器及馈线，应当尽可能降低电源阻抗。

　　1.1.1.3防止电容器对谐波的放大

　　1.1.1.3.1适当调整电容器的安装位置，以改变网络参数;

　　1.1.1.3.2根据可能产生谐振的谐波次数，确定电容器的容量，或调整电容器投切分组容量，避开谐振点;

　　1.1.1.3.3在电容器回路中串联适当的空心电抗器，限制电容器支路的谐波电流。如为限制3～5次谐波电流，可安装相当于电容器容量4%～6%的串联电抗器;

　　1.1.2被动治理 对系统己产生的谐波，采用了下列方式削弱、抑制：

　　1.1.2.1 LC无源电力滤波器

　　1.1.2.1.1只对设计针对频率的谐波效果明显，对其它频率的谐波效果不明显;

　　1.1.2.1.2滤波效果与系统运行状况有关，当电网系统阻抗、频率变化时，谐波效果降低;

　　1.1.2.1.3特殊谐波或系统阻抗、频率的变化，可能与电网系统阻抗发生串联或并联谐振，造成电压波形畸变和谐波电流放大，引起无源滤波器过压、过流，甚至损坏，危及电网稳定;

　　1.1.2.1.4负载谐波电流过大时，可能引起无源滤波器过载，使之损坏，造成事故。

　　1.1.2.2有源电力滤波器 几乎不受电网阻抗变化的影响，不存在谐波放大的危险，储能元件容量小。对变化的谐波动态跟踪补偿的有源滤波器，是治理电网谐波最有前途的措施。近年來有源电力滤波器取得长足发展，国外虽有投入实际运行，我国还处于研制阶段，工程应用尚处于初期阶段。

　　1.2无功补偿

　　无功补偿与谐波抑治是关联最密切、难度最大、保障电网质量最重要的两方面。无功补偿的当前作法：

　　1.2.1同步调相机 既能补偿固定的无功功率，也能对变化的无功功率动态补偿。但反应速度慢、损耗大、价昂，仅早期运用;

　　1.2.2并联电容器 虽有发生谐振事故的可能，但方便、灵活、价廉，工程中广为应用。只是仅能补偿固定的无功;

　　1.2.3静止无功功率补偿装置(SVC) 以快速变化的电抗、电容构成，能根据无功功率的需求，自动动态补偿无功功率，亦可调整电圧、减少过圧、减少电圧闪烁。然动态调节基波无功时产生大量谐波，影响其推广。此技术己成熟，应用较多为下列四种：

　　1.2.3.1自饱和电抗器(SR)：由负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度，负荷变化时其电抗值随之变化，从而调节无功功率输出的大小;

　　1.2.3.2晶闸管控制电抗器(TCR)：通过改变控制角a而改变导通时间，相当于调节电抗器的电抗达到改变无功功率输出的目的;

　　1.2.3.3晶闸管控制高漏电抗器(TCT)：原理同TCR，晶闸管断开时呈高电抗，接通时根据控制角调节无功功率输出的大小。因使用了变压器，可直接接入高圧侧;

　　1.2.3.4晶闸管投切电容器(TSC)：其晶闸管超前90°时接通并在断开前一直保持此控制角，如电圧为正弦波，则流过TSC的电流亦正弦波，故无谐波产生，但此TSC不能在导通期间改变无功功率输出的大小。

　　四种形式的静止无功功率补偿装置(SVC)电路及参数对比于图1及表1。从表1可见SR谐波来自磁饱和、非线性，TCR及TCT通过改变晶闸管控制角而调节电抗器的电抗，控制角大于90°时得不到交流电源的完整正弦波。此三种形式使用必考虑抑制它自生谐波，结构、设计必复杂。

　　1.2.4静止无功功率发生器(SVG) 通过不同控制，既可发出无功功率(呈容性)，也能吸收无功功率(呈感性)。但功能单一，仅调节无功功率。

　　2、案例讨论

　　2.1案例1：某终端变电所装ABB公司生产的串联型谐波滤波器THF，感滤波效果欠明显。

　　究其原因，可能是此系统的三次谐波在终端变电所的终端变压器的△绕组内己抵消，而THF滤波仅针对三次谐波,对其它高次谐波及无功补偿无能为力，所以感滤波效果欠明显。

　　建议：如仍用ABB公司产品，改用ABB公司新近生产的有源动态谐波滤波器：

　　⑴ PQFI---适用于大功率三相三线系统;

　　⑵ PQFM---适用于较小功率三相三线系统;

　　⑶ PQFK---适用于混合型负载(含中性线中有零序谐波)三相四线系统;

　　⑷ PQFS---适用于商业、住宅及轻工负载(带/不带中性线负载)三相四线/三相三线系统。

　　2.2案例2：某大厦工程选用某厂ZN-TSF智能型低压动态滤波补偿成套装置，亦感滤波效果欠明显。

　　究其原因，可能是此大厦工程用了大量UPS，系统含有大量谐波。而此智能型低压动态滤波补偿成套装置选用的是“标准抗谐振型”，仅适用于“含有少量谐波的系统”。

　　建议：如仍用此厂产品，改选“非标滤波型”，与制造厂协商按系统中谐波频率及容量针对性特殊设计、生产。费用会升高，但能有的放矢解決问题。

　　2.3案例3：某设计办公楼0.4/0.23kV侧为单母线分段，两段母线分别各由一台Dyn11干式变压器供电，左段非线性负荷少，右段母线供负荷中大型UPS多，导致系统谐波超标(五次、七次谐波多，五次为68A)，电流畸变大(45%)。

　　2.3.1 原始条件 原始系统测试数据见“表2案例3原始条件”;

　　2.3.2设计方案 左段装调谐式电抗电容器柜，着力无功功率补偿;右段装一台70A有源电力滤波器滤除五、七次谐波，并配以调谐式电抗电容器柜着力无功补偿。一次电路总方案见“图2案例3系统概略图”;

　　2.3.3 安装位置 排除效果不明显的电源入口及需增费用的设专用箱两方案，选用在分配电盘或负荷中心安装。集中治理、投资少、效率高、结构简、运行可靠、维护方便。

　　2.3.4测试结果：分析过程以美福禄克公司FLUKE-41B电能质量测试仪测试：至31阶次谐波的电压、电流及波

　　形;电压、电流有效值及频率;峰值、最大值、最小值、平均值及DC;功率、功率因数、谐波失真总量、峰值因数。筛选后的数据见“表3电容器投入前后”、“表4滤波器投入前后”。通过电容器投入前后、有源滤波器投入前后的瞬时电压及电流波形图、谐波电流频谱图、基波电流趋势图、功率因数变化趋势图、滤波效果(电压、电流波形图及柱状图)图，列表对比分析，效果较理想。

　　3、综合治理

　　3.1新思路

　　3.1.1抑制谐波汚染和降低无功功率同时并举是针对电网电源质量品质的两项最关健指标、最复杂的技术难点的新举措，对提高电能质量有着十分重要的意义。

　　3.1.2双管其下可以协调降无功与抑谐波彼此的尺度，避免过度无功补偿导致谐振的危险，也是节省投资的技术经济皆顾及的综合行为。

　　3.1.3两类设备此两功能多彼此交叉，可合理安排，充分发挥各设备长项及潛能，为专用、昂价、高技术设备的选用、配搭进行了新探索、新尝试。

　　3.2实施步骤

　　当前情况下，从经济合理，技术可靠双方面出发，建议综合治理按步试行：

　　3.2.1先考虑无功功率补偿 按常规计算出有功及无功负荷量，确定无功功率补偿量，从而略偏大地选定补偿电力电容。建议当前还是采用：

　　3.2.1.1巡测继电投切电容器的常规作法;

　　3.2.1.2晶闸管投切电容器的TSC法。

　　3.2.2考虑抑谐先测谐 使用相应仪器检测系统的谐波次数及含量，除案例三外，检测仪器尚多，例如：

　　3.2.2.1 TOPAS电能质量测试仪 瑞士LEM公司生产，可连续跟踪测量，了解系统带负荷运行状态下的数据。此仪器参数指标为：

　　电压精确度：0.15%

　　电流精确度：0.5%

　　采样频率：1kHz~64kHz

　　脉冲采样频率：100kHz~10kHz

　　符合EN61000-4-7 标准-A 等级

　　3.2.2.2 FLUKE-41B谐波测试仪 美国FLUKE福禄克公司生产，用于测量电压、电流的谐波情况及功率因数。此仪器参数指标为：

　　电压精确度：0.5%+2

　　电流精确度：0.5%+3

　　频率精确度：±0.3Hz

　　3.2.2.3 美FLUKE的电能质量分析仪还有：

　　3.2.2.3.1在线式---如FT2000L;

　　3.2.2.3.2便携式---如F1760专家型、1750三相电能记录型、F1740系列三相分析型、Norma系列宽频带型;

　　3.2.2.3.3手持式---如F430系列三相分析型、F1735三相记录型、F43B单相型、F345鉗型。

　　3.2.3选用抑谐设备 按前述原则，针对系统检测出的谐波次数及含量选用抑谐设备，而不是事先一无所知就盲目设计选型，重蹈案例一、二之覆辙。

　　3.2.4调试 安装接线完毕，在相应仪器检测下对抑谐设备按系统参数进行现场实地调试，最好亦对两端极端状况作亦作调试。

　　3.2.5软件 当前尚无充分理由必需使用“谐波综合治理系统软件包”智能处理，或许它是此谐波综合治理技术进一步发展、成熟后的所取。

　　参考资料：

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