Ｔ 阳ＲｕＭ 电力系统谐波问题分析及改进 伍宏’，文政幸 ，张新 ，何忠 ４０００６１） （１．川渝中烟工业有限责任公司，四川成都６１００１７；２．重庆卷烟厂，重庆摘 要 非线性配电设备和用电设备都会引起工频正弦波电压和电流畸变，产生谐波。谐波电压和谐波电流对公用电 网会造成污染，使得用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。本文针对重庆 卷烟厂４ 变压器补偿电容器炸毁的事故，对谐波测试数据进行了理论分析，结论是由于纯电容补偿造成５次谐波放大， 最终导致电容损坏。通过在补偿电容器回路中串联６％电抗器，使该变压器母线上的谐波得到了有效抑制。 关键词谐波；非线性；频率；电抗器 中图分类号：ＴＭ７１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—７５９７（２０１５）Ｏ卜Ｏ２１８—０２ １概述 理想的电力系统中只含有频率为５０Ｈｚ的基波电量；但实际 上，电力系统中还存在大量频率为基波整数倍的正弦波分量， 这部分电量被称为谐波。随着工业的快速发展，为提高系统的 可靠性和效率，电力电子变流器被广泛采用，这些精密电子设 响设备的正常运行，增加损耗、缩短设备使用寿命，严重时造 成电容器等设备损坏。 罅变压器 ２０００】【张 婶如．４科 Ｚ：６．１６薯 备对电能质量非常敏感，但同时又导致交流电流和电压波形的 畸变“ ，使得谐波问题变得日益突出。 谐波会增加设备的铜损、铁损和介质损耗，减少系统容量， 缩短设备寿命；干扰保护继电器、测量设备、控制和通信电路 以及用户电子设备，使灵敏设备发生误动作或元件故障；可能 引起谐振，造成电容击穿、设备损坏。谐波还可以使电压峰值 增大，若忽略相位差，则峰值电压上升的标幺值就等于电压峰 值系数：电压升高会导致绝缘应力升高，最终有可能是电缆绝 缘击穿。… 谐波引起电压和电流畸变，降低电网质量，浪费电网容量， 严重干扰了电力系统和用电设备的正常运行。为保证电力系统 补偿 窑器 ３ｏＫＶ●ｒｘ ６ －Ｖ卷包车闻设备 图１ ４＃变压器测试示意图 ２０１１年６月曾发生变压器补偿电容柜炸毁的事故，导致停 电４小时，严重影响生产，造成重大经济损失。发生故障的４＃ 变压器主要为卷接包车间供电，为此对该变压器进行了谐波测 试，如图ｌ所示。测试数据表明电网中奇次谐波较为严重，５次、 ７次、１１次和１３次谐波电流均超过了表２所示的谐波电流允许 谐波电压保持在允许值以下，很多国家都制订了电网谐波管理 的标准和规定，我国国家技术监督局于１９９３年发布了中华人民 共和国国家标准ＧＢ／Ｔ１４５４９—１９９３《电能质量共用电网谐波》。 表１公用电网谐波电压（相电压）限值 电网标称电 压（ｋＶ） Ｏ．３８ 值；特别是５次和７次谐波，基波电流为１３００Ａ左右时，５次 谐波电流达到了２８０Ａ。同时谐波电压含有率ＶＴＨＤ也超过了公 用电网谐波电压限值５．Ｏ％。 表３改造前谐波电流测试数据 谐波次数 Ｉａ １ ３ １ ３６Ｏ ２ｌ 电压总谐波畸 变率（％） ５．Ｏ ４．０ ３．Ｏ ２．Ｏ 各次谐波电压含有率（％） 奇次 偶次 ４．０ ３．２ ２．４ １．６ ２．０ １．６ １．２ ０．８ 测试数据 （％） １００ １．５ Ｉｂ １２５２ ２７ （％） １００ ２．２ Ｉｃ １ ２７ ５ １９ （％） １ ００ １．５ ６ １Ｏ ３５ ６６ １ｌＯ ５ ７ １１ １ ３ ２ ７７ ４５ ３８ ２６ ２０．４ ３．３ ２．８ １．９ ２８９ ４１ ２９ ３５ ２ ３．１ ３．３ ２．３ ２．８ ２７９ ３９ ３３ ２９ ２１．９ ３．１ ２．６ ２．３ ２存在问题 重庆卷烟厂拥有的主机生产设备和辅助生产设备使用了大 ＩＴＨＤ（％） ＶＴＨＤ（％） ２１．９７ ５．１ ２４．６９ ５．９ ２２．４１ ５．５ 量的变频器、开关电源、电抗器等非线性负载。这些负载会产 生大量的谐波，造成公共母线上的电流、电压的畸变；从而影 ３原因分析 实际电网中，电压和电流都含有谐波。产生谐波的因素很 表２注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 电压 ｋＶ ０．３８ ６ １Ｏ ３５ ６６ １０Ｏ 基准短路 容量 ＭＶ Ａ １０ １００ １０Ｏ ２５０ ５０Ｏ ７５０ ２ ７８ ４３ ２６ １５ １ ６ １２ ３ ６２ ３４ ２Ｏ １２ １ ３ ９．６ ４ ３９ ２１ １３ ７．７ ８．１ ６．０ ５ ６２ ３４ ２０ １２ １ ３ ９．６ ６ ２６ １４ ８．５ ５．１ ５．４ ４．０ 谐波次数及谐波电流允许值（Ａ） ７ ４４ ２４ １５ ８．８ ９．３ ６．８ ８ １ ９ １１ ６．４ ３．８ ４．１ ３．０ ９ ２１ １１ ６．８ ４．１ ４．３ ３．０ １Ｏ １６ ８．５ ５．１ ３．１ ３．３ ２．４ １１ ２８ １６ ９．３ ５．６ ５．９ ４．３ １２ １ ３ ７．１ ４．３ ２．６ ２．７ ２．Ｏ １ ３ ２４ １ ３ ７．９ ４．７ ５．０ ３．７ １４ １１ ６．１ ３．７ ２．２ ２．３ １．７ ｌ５ １ ２ ６．８ ４．１ ２．５ ２．６ １．９ 多，大致可分为两类：第一类为电力系统中的发电机和变压器； 第二类为电力系统中的非线性用电设备；其中第二类谐波源是 电力系统谐波的主要来源 Ｊ。重庆卷烟厂卷包车间使用了大量 开关电源、蓄电池充电器、变频器等电力电气装置。系统等效 图如图２所示，谐波源为车间负载设备，则系统的等效阻抗为 ｚ： 一１一ｎ】 ＬＣ （ｉＬ ／ ） 由（１）式可得出系统等效阻抗图（图３），可见当频率接近 或等于系统的固有频率（Ｉ／ＬＣ）“ 时，系统阻抗将趋于无穷大， 电容两端的电压急剧上升，造成在变压器与电容间的电流上升。 电容器组 电容 图２系统等效图 Ｚ 图３系统等效阻抗图 对已投运的工矿企业，无功补偿容量为： Ｑ ＝Ｐ ×（ｔａｎ中Ｉ～ｔａｎ ２） （２）【２］ Ｑ ＝ＣｕＵ （３）［２】 系统固有频率 。＝（Ｉ／ＬＣ） 。 （４） 变压器有效负载Ｐ为５５０ｋＷ；补偿前平均功率因素 ＣＯＳ １＝０．８，ｔａｎ中１＝Ｏ．７５； 补偿后平均功率因素ＣＯＳ中２＝Ｏ．９５，ｔａｎＯ ２＝０．３３；经测量 Ｌ＝４Ｈ。 由（２）、（３）、（４） 式可得，Ｑ ＝５５０×（０．７５—０．３３） ＝２３ ｌｋｖａｒ Ｃ＝Ｑ ／（＾）Ｕ２＝２３１÷（２Ⅱ×５０×３８０ ）＝５．０９ Ｆ （Ｉ）０＝ ； 击ｉ ：２２２ Ｈｚ 由此可见，５次谐波频率２５０Ｈｚ接近系统固有频率２２２Ｈｚ， 使５次谐波电流被放大，造成变压器和补偿电容之间的电流急 剧上升，最终导致电容柜炸毁。 ４改进及效果 由于补偿电容器回路在谐波电压作用下，将产生的谐波 电流流入系统，使得系统谐波电流扩大，并使母线电压波形 发生畸变。作为回避谐波的影响一项重要的措施就是在电容回 路中串联一定数值的电抗器，形成对１３次谐波的滤波回路。理 论上，当串联的电抗器和电容器对ｎ次谐波的阻抗相等时，即 ｎ（Ｉ）Ｌ＝ 时，形成串联谐振条件，母线上的ｎ次谐波将被完全 滤除 。对３次谐波：３ｘ ＝ ，串联电抗为Ｘ ＝ｏ．１ｌＸ ；对 ２Ｏ１５年第１期总第１６９期 Ｓ＿ＬｌＣ０Ｎ ＶＡＬＬＥＹ ５次谐波：５ｘ，＝ ，串联电抗为ｘ，＝Ｏ．０４Ｘ 。实际应用中， 为了避免电容器过电流，往往适当加大串联的电抗器，使回路 对谐波成感性。通常串联６％电抗器构成５次以上谐波滤波器， 串联１２％电抗器构成３次以上谐波滤波器。 由表３所示测试数据可见，重庆卷烟厂该回路母线上主要 是５次和７次谐波较为严重，特别是５次。因此采用在补偿电 容回路中串联６％电抗器Ｌｎ＝６％／（Ｉ）Ｃ，如图４所示。 电容器组 电容ｃ 调谐电感 Ｌｎ＝￥ｌ／∞Ｃ 图４谐波治理示意图 ４Ｉ变压器 ￣Ｏ００ＩｌＶＡ ｌ０加．４Ｉ Ｚ＝６．１６薯 ６，ｉ电抗器Ｌｎ 朴偿电容辫 ∞聃 ×６ Ｔ卷包车闻设备 图５谐波治理后测试图 对４＃变压器补偿电容装置串联６％电抗器改造后，再对变 压器次级输出端进行了谐波测试。 表４改造后谐波电流测试数据 谐波次数 测试数据 Ｉａ （％） Ｉｂ （％） Ｉｃ （％） ｌ １ ２８０ １ ００ １ ２９８ １０Ｏ １ ２７８ １００ ３ ３２ ２．５ ３７ ２．９ ２９ ２．３ ５ ４０ ３．１ ３８ ２．９ ３３ ２．６ ７ ３９ ３．０ ３５ ２．７ ２８ ２．２ １１ ３Ｏ ２．３ ２７ ２．０ ２ ３ １．８ ｌ ３ ２５ １．９ ３０ ２．３ ２７ ２．１ ＩＴＨＤ（％） ５．９ ５．８ ４．９ ＶＴＨＤ（％） ２．９ ３．１ ３．５ 可见，通过改造，有效抑制了电网中５次、７次等奇次谐波， 避免了纯电容补偿造成的５次谐波放大：电流总谐波畸变率从 ２０％左右降到了５．８％左右，电压总谐波畸变率从５．５％左右降 到了３％左右。 参考文献 ［１】Ｇｅｏｒｇｅ Ｊ．Ｗａｋｉｌｅｈ．电力系统谐波一基本原理、分析方法和 滤波器设计［Ｍ］．徐政，译．机械工业出版社，２Ｏ１１． ［２］赵新卫，于秀云，刘斌．中低压电网武功补偿实用技术［Ｍ】． 电子工业出版社，２Ｏｌ１． ［３】ＧＢ／Ｔ １４５４９－１９９３电能质量公用电网谐波［ｓ】． ［４］余健明，同向前，苏丈戍．供电技术［Ｍ］．机械工业出版社， ２０１１． 作者简介 伍宏（１９６６一），男，学士，工程师，主要从事卷烟企业设 备管理及技术工作。
