浅析谐波危害与三相电压平衡治理

安科瑞电气股份有限公司浅析谐波危害与三相电压平衡治理摘要：谐波的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身运行，而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害，并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。关键词：污染；谐波危害；有源电力滤波器；治理0引言近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加，特别是高压直流输电的运用，使得谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而，无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响，且仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。1谐波的产生与危害由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载，使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。表1-1谐波产生源名称所属行业变频装置商业、市政、民用、公用事业、工矿企业等UPS、开关电源、逆变电源公用事业、商业、电子、通讯等地铁、轻轨、充电站（桩）交通单（多）晶硅生产设备、中频炉制造业电弧炉、交流弧焊机、感应加热装置机械、能源、化工谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。谐波会导致继电保护，特别是微机综合保护器与自动装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失；谐波还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作；重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。据美国官方统计：近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿接入电压3×380V±10%接入频率50Hz±2%全响应时间＜40ms开关频率10kHz功能设置只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功谐波补偿次数2-21次保护类型直流过压、IGBT过流、装置过温冷却方式强制风冷噪音＜65dB工作环境温度-10℃～+45℃工作环境湿度＜85%RH不凝结安装场合室内安装海拔高度≤1000m（更高海拔需降容使用）进出线方式下进下出（根据客户要求）防护等级IP20智能通信接口外加模块安装方式立柜式抽屉式补偿电流大小50A、100A150A、200A、250A、300A50A外形尺寸(mm)(W×D×H)600×600×1800800×800×2200540×570×240重量(kg)35050050表2-2ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单型号：ANAPF50-380/B参考价格：16万元/台主要产品清单序号名称数量1APF威图柜12APFCOV-50-G变流器13APFCOV-50-G控制器14APFRE-50电抗器1电流互感器36滤波器27风机28接触器29塑壳断路器110变压器111显示屏1注：以上技术参数或器件名称、数量如有更改，恕不另行通知。3有源滤波方案及案例使用有源电力滤波器进行谐波治理，主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小，但设备数量多、布局分散的场合，比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的电流大，谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的精密仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地补偿。上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯，另外还有变频空调、电梯等负载，产生了大量的电流谐波，导致变压器容量不足，夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况，严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量，测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变，A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%，远远超于国标GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生，应采用局部补偿的方法进行治理，型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。图3-1治理前电流波形与谐波数据图3-2ANAPF局部补偿方案图4谐波治理效果ANAPF投入运行后，得到如图4-1所示的理想波形和测试数据，相电流最大值从64A降低到47A，N线电流从治理之前的37A降到了5A，实现了三相