高耗能负荷集中地区电网谐波分析
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作者: 刘保
摘要 本文根据高耗能集中地区负荷的特点分析了该区域电网谐波的主要来源，提出了几种抑制谐波的措施，并分析了各措施在此阶段的优缺点。
关键词 谐波源；抑制谐波；抑制措施比较
中图分类号TM76 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2012）58-0024-02
0 引言
近年经济高速发展，给国家带来了大量的经济财富，同时也带来了不可忽视的工业污染、工业负荷等大量问题。尤其是在冶炼、电石等高耗能产业集中的西北地区，工业用电负荷问题已具一定规模，冲击性、非线性负荷容量的不断增长，导致大量可威胁电网安全的谐波的产生。谐波骚扰电网运行性能，无疑减弱了电网可发挥的正常效力，降低了工作效率，从而影响了国民经济生产值。
1 谐波源的分类
当电力系统中某些设备的电压和其负荷电流不成正比、达到非线性时，会导致电波畸形比如变压器、交直流交换器、电弧炉等设备，都可能发生非线性变化。如果非线性设备继续存在电力系统中，当此设备承载传递、交换、吸收电力系统所供给的基波能量时，非线性设备会自主的将所吸收的部分基波能量转换为谐波能量。谐波能量会导致非线性设备向系统输送大量的高次谐波，进而引起电力系统正弦波形变形，最终结果是电能质量的降低。
电力系统中的许多部件都可发生非线性变化，按其类型可分为以下几类：如变压器、电抗器等含有铁心的部件发生铁磁饱和非线性谐波；如整流器等交直流换流装置、双向晶闸管可控开关等电子开关型非线性谐波；如冶炼电弧炉在熔化期间、交流电弧焊机在焊接期间，因电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性的电弧性谐波。此外，三相供电中还存在三相不平衡的非线性特性，比如电气铁道、由低压供电的单相家用电器等，都属于三相不平衡非线性。
2 高耗能集中地区谐波主要来源
2.1 电弧炉
某地区年用电结构图显示，铁合金工业用电量占46.06%，电石工业占27.77%，碳化硅占10.01%。如此冶炼工业发达的地区，高耗能负荷就较为严重，谐波现象存在也较为广泛。而电炉是冶炼工业中最为广泛应用的一类高能效加热源。其中的电弧在熔炼金属时炉产生的电流波形图很不规则，会产生间谐波、2次到7次谐波等。此外，中频炉也是生产高次谐波的一个主要部件，中频炉在冶炼金属时，极易产生5次、7次、11次等奇次谐波。试想如此大规模的生产谐波，将会为电力系统带来多少负担。
2.2 用户变压器群
变压器是电网系统中不可缺少的部件，其数量和作用都是相当庞大的。但是变压器也极易产生谐波分量。具体原理为，三相变压器的组成形状为日字形，顶头两相的长度大于中相，造成三个磁路的不对称性。磁路的不对称则造成变压器磁电流中含有少量的谐波。虽然这个谐波的分量很小，但是由于各个变压器的互相连接，就造成变压器磁电流中谐波的叠加，最终形成大规模的谐波能量。
2.3 电气化铁路
谐波的另一个主要来源是电气化铁路。因为电气化铁路是单相供电，即110kV电压经牵引变压器后来供给电力机车。电流经牵引变压器后会产生波动性大的牵引负荷，和负序电流、电压。而负序分量中就含有谐波成分，虽然谐波占有的比例较小，但是牵引符合沿线分布特别广泛，所以牵引负荷产生的谐波仍然是不容忽视的。
3 抑制谐波的主要措施及各自的优缺点
谐波已成为全民公敌，消除谐波的危害演变到刻不容缓的地步。
3.1 主动治理
所谓主动治理，即从谐波产生的源头入手，消除谐波源产生的条件，把其滋生成分扼杀在摇篮。我们可以从三个方面入手，控制谐波源。
其一，对变流器采取措施。一方面可采用四相限变流器等高功率变流器；另一方面也可改造变流器的装置来增加变流器的相术及脉冲数。此方法可有效的减小谐波量，但是对装置的配置和工作方式有一定的要求，同时还会使得装置更加复杂；
其二，利用谐波的自身特点。可充分利用谐波自身可互补、可叠加的特点，来减小谐波的影响。比如可以利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上来降低谐波。但是，此方法只有在保证三次倍数的谐波源与系统的同步的情况下才能发挥效力，且谐波发生器的功率消耗非常之大，可占据整流器直流功率的十分之一；
其三，新技术的使用。通过新技术的辅助，增加谐波的频率，降低谐波的幅度，使其越来越靠近正弦波形状。此办法有很大的局限性，只对自关断器件构成的变流器有效。
3.2 受端治理
所谓受端治理，是指改造已经被谐波感染的设备，来提高其抵抗谐波干扰的能力。受端治理的措施主要有以下几种：
1）选择合理的供电方式。通过增大谐波源的电压来避免谐波源会危及更多用电设备和系统。由此对谐波危害的减弱有较大成效，但是此方法要在规划和设计阶段考虑；2）改造电容器，避免电容器对谐波的放大。当谐波流向电容器时，在保证电容器安全运行的前提下，通过适当改造电容器来有效控制谐波的流通，避免电容器放大谐波现象的出现。比如可以控制电容器的投入容量，还可改变电容器的串联电抗器等等。此方法可确保电容器组的安全运行，也可有效的减小电容器组对谐波的放大，但却需专门设计来达到此效果；3）改善设备自身的机体性能。一方面要通过改进设备性能来提高设备抗谐波干扰的能力；另一方面可安装谐波保护装置，避免谐波损害设备的恶性事件的发生。对谐波较为敏感的设备可通过此法有效隔离谐波，但是对其他部件而言，效果不甚理想。
3.3 被动治理
被动治理，即借助滤波器来切断谐波流向电网的通路。比如可在可在谐波源附近安装高波滤波器等无源滤波器PF来吸收谐波电流；也可通过在谐波源附近串联或者并联有源滤波器APF，来隔离谐波。二者各有利弊：无源滤波器PF成本低，技术成熟，运行维护简单，但只能对特定谐波进行滤波，且滤波效果不好；相对而言有源滤波器APF效果好，能迅速响应谐波的频率和大小的变化，但装置造价较高。当然，此二法也可混合使用，可集PF成本低廉和APF性能优越于一体，达到更高的效果。
4 结论
综上所述，铲除谐波危害是社会发展的需要。根据产生谐波的原因不同，对症下药采取相应的措施，可事半功倍。在电力系统中消除谐波污染，除在电网中采取一定的措施外，还必须依靠全社会的支持和配合，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。
参考文献
[1]2009年度**地区电网运行方式[M]，2009.
[2]林海学.电力系统的三相不平衡[M].北京：中国电力出版社，1996．
[3]李建明.电网电能质量分析评价技术研究[EB/OL].山东：技术研究，2008.
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