1.1諧波概述

諧波術語的基本概念

諧波：（harmonic）對周期性的交流信號量進行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量。我國供電系統(tǒng)頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。

公共連接點：（PCC）用戶接入電網(wǎng)的連接處。

總諧波畸變率：（THD）周期性的交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分數(shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。

諧波源（harmonic source）：向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備。

諧波對電網(wǎng)及用電設備的影響

增加輸電、供電和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經(jīng)濟效益，并給企業(yè)增加額外的電能損耗。

1.1.1 電力諧波對電力電容器的影響

當電網(wǎng)存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍；對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍，但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，絕緣介質(zhì)會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

1.1.2 電力諧波對變壓器的影響 

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3 次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點按地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3 次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。諧波電流的增加會使變壓器局部嚴重過熱，輕則縮短變壓器的使用壽命，重則導致變壓器燒毀。 諧波對變壓器的最主要的影響是變壓器運行溫度上升，研究表明，變壓器溫升每升高8度，壽命將減少50%。

1.1.3 對電力電纜的危害

由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的答應通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，進步功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

1.1.4 對供配電線路的危害

（1）影響線路的穩(wěn)定運行：產(chǎn)生繼電保護誤動作或拒動。

（2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量：如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調(diào)光燈、計算機等負載，會產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費電網(wǎng)的容量。

1.1.5 對用電設備的危害

（1）對于配電用斷路器和漏電電路器來說，斷路器鐵耗增大而發(fā)熱，額定電流降低與脫扣電流降低，且諧波次數(shù)越高影響越大；可能因諧波產(chǎn)生誤動作。

（2）對弱電系統(tǒng)設備的干擾對于計算機網(wǎng)絡、通訊、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流進接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。

（3）影響電力計量的正確性：目前采用的電力計量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應型），當諧波較大時將產(chǎn)生計量混亂，丈量不正確。

1.1.6 電力諧波對電動機的危害

電動機的設計工作電壓為工頻下，長期工作在諧波電壓畸變的環(huán)境下，將大大降低電機的使用壽命。諧波對異步電機的影響，諧波對旋轉(zhuǎn)電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于電動機的出力一般不能按發(fā)熱情況進行調(diào)整，由諧波引起電動機的發(fā)熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

1.1.7 對周邊設備的影響

（1）影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性

諧波對電力系統(tǒng)中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾（如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源）則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動（若誤動引起跳閘，則后果嚴重）、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

（2）對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。

（3）對弱電設備的影響

電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴重甚至損害機器。

（4）影響電力測量的準確性

由于電力計量裝置都是按50Hz 的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。

（5）干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過的3、5、7、11 等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度。

諧波已成為電網(wǎng)的一大公害、各類設備的隱形殺手，同時諧波給企業(yè)帶來的經(jīng)濟損失已經(jīng)越來越受到重視。

1.1.8 諧波對電能的損耗

供電電源電流按傅立葉級數(shù)分解可分為基波有功電流、基波無功電流、諧波有功電流和諧波無功電流，間諧波和次諧波電流含量相對較小。實際生產(chǎn)過程中我們需要消耗的是基波的能量。大量的諧波會產(chǎn)生極大的額外的諧波功率，直接浪費企業(yè)的電能。

諧波在電纜上的集膚效應，導致電纜溫升巨大，電能未能直接成為有效的生產(chǎn)動能，而是有電能直接轉(zhuǎn)化成為了電纜的熱效應能量，產(chǎn)生巨大電能浪費。長期諧波環(huán)境下，將造成導線絕緣破壞對地放電等隱患。

變壓器由于諧波的影響所造成的鐵損、銅損等能量損耗，并且由于諧波引起的變壓器的噪音及發(fā)熱，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷崮芗奥曇舻哪芰坷速M。

諧波的污染降低了用電利用率，將直接導致電費的增加。抑制諧波將有效提高用電利用率，減少企業(yè)的直接電費損失。

諧波治理合格后的意義以及所帶來的經(jīng)濟效益

（1）節(jié)能增產(chǎn)提效：安裝諧波治理裝置后，有效的降低了諧波電流，增加了變壓器的有效容量，可增加相應的帶載能力（或者：電費不變，產(chǎn)量提高10-15%左右，節(jié)能增產(chǎn)提效）減少擴容所需的投資?？捎行У慕档妥儔浩鞯膿p耗，提高變壓器的安全運行系數(shù)，起到節(jié)能降耗的目的。減小流過配電線路的電流有效值，提高功率因數(shù)，消除流過配電線路的諧波，從而大大減小線路損耗，降低配電線纜的溫升，提高線路帶載能力。同等產(chǎn)值的情況下，可以節(jié)省不低于5%的電費開支。

（2）諧波的降低減少了變壓器銅損、雜散損耗和鐵損。大大降低了變壓器運行溫度，提高了變壓器的運行壽命。

（3）對于電力電纜，由于高頻率諧波的降低，減輕了電纜趨膚效應問題，使導體的交流電阻減小，提高了電纜的通流能力。另外，使電網(wǎng)發(fā)生諧振的幾率大大降低（電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，電容器裝置及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振）。

（4）對供配電線路：增強線路的穩(wěn)定運行，由于諧波的降低，能夠大大增強電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

（5）對用電設備

① 對于配電用斷路器來說，諧波的治理，可以避免工廠配電短路因諧波產(chǎn)生的誤動作，降低開關柜內(nèi)斷路器的發(fā)熱量，增長了開關柜的運行穩(wěn)定性以及壽命。

② 諧波的治理，可以避免對變頻器、數(shù)控設備以及自動化設備造成干擾，保證設備的正常運行，降低損壞幾率。

③ 對于高低壓電力電子器件的變頻器設備，諧波的降低，能夠避免因為變頻器內(nèi)電感電容的諧振幾率，保證電子開關器件開斷精度，提高了變頻器設備的運行可靠性，降低損壞幾率。

④ 諧波降低后，可以提高電力計量的正確性。

⑤提高了繼電保護、微機保護和自動裝置的工作可靠性。

⑥諧波的降低，可以避免現(xiàn)在的高壓空壓機振動的問題，提高了空壓機以及工廠電動機設備的工作效率，增大了工作壽命。

（6）諧波治理將有效提高用電利用率，減少企業(yè)的直接電費損失。

有效的濾波治理后，諧波電壓、諧波電流將降到國家標準合格范圍以內(nèi)，以上問題可以得到大大改善，在一定程度上可以降低電費損耗、增加設備生產(chǎn)效率，增長設備運行使用壽命，將給工廠帶來較大的經(jīng)濟效益。改善了電網(wǎng)電壓質(zhì)量以后，能夠解決污水廠,空壓機站因為諧波問題造成的振動問題，提高了設備運行效率及壽命,避免了因為諧波問題造成的空壓機、變頻器、開關柜以及其他控制保護測量元器件的損壞問題，每年能給工廠節(jié)省可觀的設備維護費用；諧波降低后，會使設備電動機的效率得到顯著提高，提高了設備生產(chǎn)效率，對于增大生產(chǎn)產(chǎn)值所帶來的經(jīng)濟效益會更加顯著。

1.2量測目的

針對密煉機變壓器系統(tǒng)電能質(zhì)量不理想，分別在相應變壓器下對儀器量測所獲得數(shù)據(jù)進行分析，尋求最佳解決方案。

1.3量測儀器

美國Fluke公司的F1760電能質(zhì)量測試儀。此設備用于監(jiān)測電能質(zhì)量，可以在線連續(xù)長時間量測電壓、電流的諧波，三相不平衡，閃變，暫態(tài)過程，波形變動，頻率變化等，可同時記錄八個信號輸入。

設備技術參數(shù)：

-電壓精確度: 0.15%

-電流精確度: 0.5%

-采樣頻率: 1kHz~64kHz

-脈沖采樣頻率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7標準-A等級

-脈沖采樣頻率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7標

2.量測說明

2.1. 電力系統(tǒng)及量測位置

圖1：電力系統(tǒng)及量測位置圖

2.1. 負載設備說明

密煉機變壓器系統(tǒng)的負載主要為密煉機設備，此類設備在運行過程中無功需求量比較大，并會產(chǎn)生大量的諧波。該密煉機變壓器系統(tǒng)低壓側(cè)沒有使用電容器做無功補償，密煉機為直流型密煉機，分主、從電機兩個回路，主、從電機功率均為1250kW。

2.2. 量測期間負載運行狀況

量測期間該變壓器系統(tǒng)負載運行周期正常。

2.3. 量測內(nèi)容

在Test Point 1、2（變壓器的低壓側(cè)）位置使用電能質(zhì)量測試儀進行不間斷量測，獲得系統(tǒng)的電流電壓波形、功率、諧波等詳細數(shù)據(jù)。

3.量測結(jié)果（測量點1—主動機）

2. 

3. 

4. 

3.1量測期間趨勢圖量測結(jié)果（測量點1）

3.1.1系統(tǒng)電壓、電流瞬時波形圖

圖2：系統(tǒng)電壓、電流瞬時波形圖

3.2量測期間趨勢圖量測結(jié)果（測量點1）

3.2.1量測期間基波電壓(相電壓)趨勢

圖3：量測期間基波電壓趨勢圖

3.2.2量測期間基波電流趨勢

圖4：量測期間基波電流趨勢圖

3.2.3量測期間總諧波電壓畸變率趨勢

圖5：量測期間總諧波電壓畸變率趨勢圖

3.2.4量測期間總諧波電流趨勢

圖6：量測期間總諧波電流趨勢圖

3.2.5量測期間11次諧波電流趨勢

圖7：量測期間11次諧波電流趨勢圖

3.2.6量測期間無功功率趨勢

圖8：量測期間無功功率趨勢圖

3.2.9測量期間功率因數(shù)趨勢

 圖9：量測期間功率因數(shù)趨勢圖

3.3各階次諧波頻譜圖量測結(jié)果（測量點1）

3.3.1系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜

圖10：系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖

3.3.2系統(tǒng)諧波電流頻譜

圖11：系統(tǒng)諧波電流頻譜圖

4量測結(jié)果（測量點2—從動機）

4.1.1系統(tǒng)電壓、電流瞬時波形圖

圖12：系統(tǒng)電壓、電流瞬時波形圖 

4.2量測期間趨勢圖量測結(jié)果（測量點2）

4.2.1量測期間基波電壓(相電壓)趨勢

圖13：量測期間基波電壓趨勢圖

4.2.2量測期間基波電流趨勢

圖14：量測期間基波電流趨勢圖

4.2.3量測期間總諧波電壓畸變率趨勢

圖15：量測期間總諧波電壓畸變率趨勢圖

4.2.4量測期間總諧波電流趨勢

圖16：量測期間總諧波電流趨勢圖

4.2.5量測期間11次諧波電流趨勢

圖17：量測期間11次諧波電流趨勢圖

4.2.6量測期間無功功率趨勢

 圖18：量測期間無功功率趨勢圖（L3接線有點問題，可能接反）

4.2.7測量期間功率因數(shù)趨勢

 圖19：量測期間功率因數(shù)趨勢圖

4.3各階次諧波頻譜圖量測結(jié)果（測量點2）

4.3.1系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜

圖20：系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖

4.3.2系統(tǒng)諧波電流頻譜

圖21：系統(tǒng)諧波電流頻譜圖

5.分析與總結(jié)

5.1測試數(shù)據(jù)總結(jié)

5.2治理方案

根據(jù)以上電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題主要為諧波和無功，變壓器的諧波含量基本上全部來自于密煉機和晶閘管整流設備，采用集中治理方案比較合適，即在低壓總進線處加裝有源濾波裝置及無功補償裝置，建議采用APF和SVG設備進行治理，考慮到系統(tǒng)中存在晶閘管整流設備，導致瞬時電壓突變較大，需要額外配置RC濾波組件使用以保障APF/SVG設備正常運行。

注：按照計算出的諧波和無功含量，按照1.25倍選擇設備，防止設備長期滿載運行影響性能。

論文作者：張文標、盧金洪、何維榕、王曉稷、林景來