电力系统中谐波的抑制和治理

电力系统中谐波的抑制和治理

【摘要】由于电网系统中接入大量的非线性负荷所产生的谐波电流，引起电压及电流的波形畸变，严重影响供电质量，影响设备运行，造成能源浪费；抑制和治理谐波电流成为亟待解决的问题，采用电容器串联一定电抗率的电抗器组成调谐滤波器能有效地消除和抑制谐波，改善电能质量，提高功率因数，为企业节约电费。

【关键词】电网系统；谐波；抑制和治理

一、谐波的产生

理想的输电和配电系统是运行在固定频率的正弦波电压和电流波形下，然而有大量的非线性负荷如晶闸管、变频器等，当这些非线性负荷接入电网会产生大量的谐波电流，引起电压和电流波形畸变，他们将导致电网中的供电品质下降。三相非线性设备所产生的谐波阶次主要为5次、7次、11次、13次……等，所产生的主要谐波电流以5次、7次、11次为最多。

二、谐波的影响

谐波电流由非线性负荷产生后注入电网，将会在电网等效系统阻抗上产生畸变的谐波电压，危害如下：1、增加导线或线圈的电力损耗及温升，加速绝缘劣化；2、影响同馈线所有电气设备的供电品质；3、造成电机抖动，进而影响生产产品的质量；4、造成参考位准偏移，使控制设备误动作；5、干扰讯号传输，使传输数据不准确；6、导致电容器因谐振过电压而经常损坏；8、无法提高功率因数

三、利用调谐电抗电容器组可以吸收和抑制谐波

1、补偿回路串接调谐电抗器的原因

在无功补偿系统中，由于电网系统以感抗为主，电容器回路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大的多，补偿电容器对电网发出无功功率，对电网系统进行无功补偿，提高系统功率因数。但在有谐波背景的系统中，大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，引起电压及电流的波形畸变。对谐波频率而言，电网系统感抗大大增加而补偿系统容抗大大减小，其调谐频率可能与电网中存在的谐波频率接近，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，则该频率的谐波电流可以被放大到正常的许多倍。导致电压畸变率和电流畸变更为严重。

2、谐波对补偿电容器有以下三个方面的影响：

（1）造成电容器过电流

电容器额定电流（I1）及流入电容器的谐波电流（Ih），电容器运行时满载电流I1=100%，加上外来谐波电流时，若运行电流大于1.3倍额定电流时，电容器将迅速故障。

（2）与系统产生并联谐振

输电及配电系统设计运行在频率恒定的正弦波电压和电流下，当大量的非线性负荷挂网运行时，将在电网产生严重的电压畸变和电流畸变。此时的谐波源相当于一个很大的电流源，其产生的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形成并联回路。当电网系统感抗等于电容器容抗时，将形成并联谐振。此时并联回路总阻抗等于无穷大，谐波电流流

经阻抗无限大的回路时，将产生无限大的谐波电压，无限大的谐波电压将于电网与电容器间产生大电流，造成电容器迅速故障。

（3）与系统产生串联谐振

如果在上一级电网系统存在严重谐波源，电压产生的谐波畸变相当严重时。此时谐波源相当于一个很大的电压源，背景谐波电压将在变压器的短路电感和电容器的容抗形成串联回路。当串联回路总阻抗等于零时，将形成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形成强大的电流直接流经补偿电容器组，使电容器因过电流而迅速故障，同时增大谐波对电网的影响。

由以上分析可见，如在补偿系统中单独使用电容器进行补偿，系统谐波或背景谐波将对补偿电容器造成很大影响，如果满足并联谐振或串联谐振条件，并联电容器组事实上已经变成了滤波器，谐波电流将几乎全部流入电容器组中使其过负荷。这就是我们公司原来采用常规的电容补偿，电容器经常损坏的原因。

3、因此，在有谐波背景的系统中时，不可能采用常规的电容器组来进行无功功率补偿，必须采用串联调谐电抗器的补偿方案，即电力电容器必须与电抗器串联，这样可以补偿基波无功功率又不放大谐波。电容器与电抗器串联称为调谐电抗电容器组又称调谐滤波器。调谐滤波器的每一段由一台电容器和一台电抗器串联而成，电容器的电感根据所需要的补偿功率选择，电抗器电感的选择要是电抗器电容器形成串联谐振电路的谐振频率，调谐低于电网相间存在的最低次谐波频率，通常是5次（250Hz）。低于调谐滤波器的调谐频率，例如基波频率（50Hz），调谐滤波器是电容性，即产生无功功率；高于调谐频率，调谐滤波器是电感性，不会放大典型的5次、7次和11次谐波。调谐滤波器还可以吸收电网中低次谐波的一部分。每一段调谐滤波器由自动功率因数控制器根据无功功率的需要进行投切

控制。

调谐滤波器可以吸收大部分谐波电流，提高功率因数，减少视在电流，降低变压器、导线损耗及温度，增加变压器使用裕度；减少谐波电流引起的损耗，降低电压畸变率，改善电能质量，降低谐波电压对设备的干扰，提高电力设备的寿命。

四、补偿电容器组串联电抗器电抗率的选择

带调谐电抗器的电容器组设计时应为：在基波频率下显容性，即电容器起主导，这样可以进行功率因数补偿；在谐波频率下显感性，调谐电抗器起主导，不存在谐波放大。带调谐电抗器的电容器组可以起到谐波滤波器的作用，从电网中吸收部分谐波含量（15%-50%）。其电抗率的选择可以根据系统背景谐波含量进行选择。这样调谐电抗器和电容器回路的谐振点计算可以避开系统的特定谐波频率，使补偿电容器组在该次谐波频率及以上不会产生谐振。

1、如系统背景谐波以第五次谐波为主，应串6%电抗器，谐振点为204HZ（可避免大于第五次谐波250HZ的谐振）

2、如背景谐波以第四次谐波为主，应串7%电抗器，谐振点为189HZ（可避免大于第四次谐波200HZ的谐振）

3、如系统背景谐波以第三次谐波为主，应串12.6%电抗器，谐振点为141HZ（可避免大于第三次谐波150HZ的谐振）经过深入探讨，发现公司的系统谐波以五次及以上为主，因此，我们选择在电容器前串联6%调谐电抗器，可吸收15-50%的谐波，避免大于第五次谐波250HZ的谐振。同时可抑制系统的开关涌流。保证补偿装置安全、稳定、可靠地运行。

因为谐振产生的前提条件是回路中必须同时有电感和电容。在五次谐波（250HZ）频率下，电抗电容器组显感性，不会与电网发生谐振。而在基波频率下，电抗电容器组显容性，可进行无功补偿。

五、串联电抗器后电容器耐压等级的选择

在补偿电容器前串接电抗器后，因电抗器（VL）与电容器（VC）之相位相差180度，故电抗器所产生之电压降加之于电容器上，如图示.同时要考虑谐波电压的影响.因此电容器组的耐压等级应按下式考虑：

VC=VS+VL+VH

其中VS为基波电压；VL为电抗器分压；VH为谐波电流在电容器上产生的电压，根据IEC标准在低压系统中三、五、七次谐波分别应考虑基波的0.5%、5%、5%。

串联电抗器后电容器耐压限值计算：

本厂系统正常运行电压400V，串6%电抗器后，考虑电压波动（5% VS），电容器组的耐压等级计算如下：

VC=VS+VL+VH=400+400（1+6%）+400*10.5%≈480V

再考虑5%电压波动，即补偿电容器组的耐压等级为应在480V以上才是安全的。我们在此补偿系统中选择480V三相电容器，可完全满足电容器的耐压要求。

六、测试数据及分析

我公司13#变压器所带负荷主要有盘拉电机、轧机设备等，都装有变频器，系统测试有谐波电流产生。无功补偿采用电容器串联6%电抗器方案。根据测试数据分析：设备产生谐波主要是5次谐波，投入调谐滤波器后总的谐波电压畸变率从3.36%降到2.03%，谐波电流205A降到101A，吸收五次谐波电流104即50%。功率因数从0.65升到0.96。

七、结论

采用电容器和电抗器串联的方式能有效地消除和抑制电网中的谐波电流，提高功率因数，节省电费，降低电压和电流畸变率，改善电能质量。

参考文献

[1]中国电力出版社《电网谐波治理和无功补偿技术及装备 》

作者简介

李艳丽（1968-）女，河南新乡人，本科 主要从事电力系统电气设计和现场安装调试