ValueEngineering·51·
变配电系统中的谐波治理
PowerDistributionSystemHarmonicsControl
马胜利MaShengli
（中国市政工程西南设计研究总院，成都610081）
（SouthwestChinaMunicipalEngineeringDesignInstitute，）Chengdu610081，China
摘要：加装有源滤波器后，可以明显滤除电力系统中谐波分量，使波形变得光滑完整，从而有效的保护了用电设备，延长其使用寿命。
Abstract:Aftertheinstallationofactivefilters,powersystemscansignificantlyfilterharmonics,thewaveformbecomessmoothandcomplete,itwill
effectivelyprotecttheelectricalequipment,extendingitslife.
关键词：谐波；谐波电流；谐波保护器Keywords:harmonics；harmoniccurrent；harmonicprotector
中图分类号：TU852
文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2012）05-0051-02
表1
谐波次数及谐波电流允许值，A标准电基准短路
压KV容量MVA2345671011121314151617181920210.38
10
786239622419211628132411129.7188.6167.88.9
0引言
城市污水厂和给水厂的用电设备中，常常遇到变频机组，且单机容量较大，这类非线性负载会产生大量谐波电流，并进入配电系
电动机、电容器、电缆等均会统，对系统内各种用电设备包括变压器、
造成不同程度的危害，因此消除或抑制谐波危害就显得十分必要。
1谐波的概念、产生及危害
1.1谐波谐波是频率为50Hz整倍数的正弦波电压或电流谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电流。
当基波和谐波叠加时，形成形状怪异的波形，这称为波形畸变。例如，图1是基波与5次、这是工业场合常见7次谐波叠加的结果，的电流波形。在实际工程中，大多数谐波为奇次谐波，也就是3、5、7、11、13…。
正常的交流电压或者电流是正弦波，当电压波形或电流波形发生畸变时，就说明其中包含了谐波成分。
《GB50052-2009供配电系统设计1.2谐波的国家标准①根据
规范》在第5条“电压选择和电能质量”中专门针对电能质量和谐波保护提出了要求。例如：谐波保护②本标准要求采用电能质量治理，有源滤波器等等。③《JGJ16-2008民用电气设计规范》也对精密器、
生产企业的谐波要求提出了明确的要求。④《GB/T14549电能质量公用电网谐波》对谐波的限值标准：治理后注入电网公共连接点的
（在保留谐波电流分量（方均根值）不应超过表1中规定的允许值。
现有电容柜的情况下）
1.3谐波电流的产生产生谐波电流的负载称为非线性负载，与之对应，不产生谐波电流的负载称为线性负载。
变频电机工作时，之所以产生谐波电流，是因为变频电机输入端的整流电路的阻抗不是一个定值，其阻抗随着外加电压的变化发
———————————————————————
作者简介：马胜利（1967-），男，四川成都人，高级工程师，研究方向为变配电
系统。
生变化，这就导致整流器从电网吸取的电流不是正弦波电流。
理想的电阻、电感和电容都是线性负载。但是实际的电感可能是非线性负载，如带有铁芯的电感，其电感量随着外加电压而变化。
非线性负载的阻抗随着施加在其上的电压变化，这时流过它的电流与施加在它上面的电压不是线性关系，故称其为非线性负载。
带平滑电容的整流器是最常见的非线性负载，它产生的谐波电流与电路结构有关。整流器从电网吸取脉冲电流，每个交流电周期整流出的脉冲数称为这个整流器的脉数。
整流器所产生的谐波的种类与整流器脉数有关，具体关系如下：M=P*n±1。式中：M=整流器产生的谐波次数；P=整流器的脉数；n取自然数。
变频电机的谐波电流是由变频电机非线性负载输入电路导致的。不同脉数的整流器产生的谐波不同，3相6脉的整流器产生的谐波电流以5次、7次、11次、13次为主。
1.4谐波电流的危害变频电机产生的谐波电流危害如表2所谐波电流导致的故障现象分为两大类，第一，导致电缆或变压器示。过热；第二，导致电网上的其他设备出现误动作或性能降低。
2谐波的治理方法
按照谐波产生及危害的领域：可分为电力侧谐波与用户侧谐波。
配电、变压器等谐①电力侧谐波领域主要研究由于电力传输、
波的发生、传输、测量、危害及抑制，其谐波次数范围一般为2≤n≤40。
计②用户侧谐波领域主要研究由于工业、商业用户的变频器、
算机、开关电源等产生的谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其谐
的冷凝水；其次，在出料气锁上方增加一路蒸汽管路，对旋风落料锥
形筒进行加热，使出料气锁与锥形筒之间形成“气封”，避免由出料气锁带入的冷空气进入，确保高温高湿的热风难以冷凝。
（200-400）以20为单位3.1将模拟水施加量范围暂定为kg/h，
在不改变其他因素的情况下，分别跟踪测试预将其分为10个区间，
热阶段的凝结水量、生产阶段的湿团烟丝量和生产初期的干头烟丝量。经过多次测试，确定最佳模拟水施加量为300kg/h。
3.2用两根长度为820mm、管径为准15mm的钢管对锥形筒进行加热，一端连接蒸汽管路，一端密封，管体侧面均匀分布15个口径为准2mm的喷孔。两个多喷孔集管对射形成叠加效果，确保整个喷雾断面均匀，锥形筒受热充分。
4改进效果
经过一段时间的运行观察，以上措施很好地解决了气流烘丝机在预热阶段易形成冷凝水的问题，减少了湿团烟丝的产生，降低了叶丝的损失和浪费，使得产品过程控制更加稳定，叶丝质量合格率也得到大幅度的提升，取得了良好的社会和经济效益。
上图虚线部分为改造后管路图。
参考文献：
文献出版社，[1]国家烟草专卖局.卷烟工艺规范[M].北京：2003.
[2]江苏智思机械制造有限公司.叶丝高速膨胀干燥机使用说明书.2006.
周文迅.云南优质烟叶配套生产新技术[J].四川农业科技，[3]周世朗，
（04）1998，.
·52·
表2谐波电流导致的故障现象
价值工程
2.1.2有源谐波保护器的特点①采用先进的DSP+ASIC数字
现象后果原因逻辑方式消除电力侧谐波。②实时检测电网中由非线性负载产生的
谐波电流的频率高，发出的热量与频率的平
电流波形。分离出谐波部分，将其反相，再通过IGBT逆变器的触发电缆过热电缆早期老化，绝缘损坏
方成正比。
将反相电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。③可以提供超前
缩短变压器寿命，降低变压器的有
变压器过热频率较高的电流产生更大的铜损和铁损。或滞后的无功电流，用于改善电网的功率因数和实现动态无功补效容量
偿。④可同时滤除2次到61次的谐波电流。⑤用户可自行选择谐波
零线中单相各类电力电子设备产生的3次谐波在
电缆加速老化甚至诱发火灾补偿次数，可以只滤波，或同时滤波和补偿无功。⑥100μs内响应负电流过大零线上叠加，电流有效值接近相线的1.7倍。
荷变化，全部响应时间为10ms（1/2周波）。⑦采用速度高达20KHz
电网上的CNC、PLC、UPS、各类电力电子设备谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电
的IGBT,可实时消除谐波。⑧通信功能，RS485+以太网通信TCP/IP。设备性能降低等误动作或者寿命缩短压，对电子设备形成干扰。
采用可靠的限流控制环节，当系统中的谐波电流大⑨过电流：无功补偿电容过热甚至损坏、谐波放大、电容谐波电流流过电容，造成电容过载过热，谐
于谐波保护器的治理能力时，滤波器能在自己的额定容量范围内最电容过流不能投切等波电流还会引发谐振。
大限度的对谐波进行补偿，维持正常工作，不会出现过载烧毁等故电机发热、谐波电流施加在电机上导致高频电流和负
电机绕组或轴承损坏
障。⑩三相四线制中中性线滤波能力为相滤波能力的3倍。輥振动序电流。訛具有輯缓冲启动控制回路，能够避免自启动瞬间过大的投入电流，并降低UPS的UPS的内阻较大，谐波电流会产生更大的谐波
UPS达不到额定的输出功率
额定功率电压，导致输出电压畸变过大。该电流在额定范围之内。保护设备的大部分保护设备是按照正弦波电压和电流2.2用户侧谐波治理—无源谐波保护器无源谐波保护器正是意外跳闸、断电，影响正常生产误动作进行设计和校准的。
针对用户侧高次谐波（2kHz-10MHz）的污染，为用电设备提供谐波
波次数范围一般为40≤n。电力侧谐波与用户侧谐波的区别如表3。保护，改善越来越恶劣的电能质量的设备。
表32.2.1无源谐波保护器工作原理无源谐波保护器采用了超微
电力侧谐波用户侧谐波晶合金材料与特别电路，瞬时滤除电源中的尖峰、杂波，修正了因谐
波影响而产生畸变的电源波形；对噪声进行吸收，修正电源波形，使40≤n2≤n≤40
谐波次数
电源波形变得光滑清洁，既提高了电网质量，又保证了仪器设备的即0.1KHz-2KHz即2KHz-10MHz
正常运行。能量大小大小
无源谐波保护器并联在电路中，本身不耗电，它采用了超微晶
商业用户的计算机、控制设备等危害范围电力变压器，配电设施等工业、PLC、
合金材料与特别电路，能自动消除对用电设备具有破坏性的高次谐
危害特点对设备有明显物理损伤，不干扰控制设备对设备的物理损伤小，干扰控制设备
波，高频噪声等，防止计算机、电子设备、确保用电设备PLC等死机，
治理方法谐波保护器-有源方式谐波保护器-被动方式的使用寿命。
能吸收各种频率2.2.2无源谐波保护器的特点①应用频段宽。市政工程的谐波特点：①存在数量较少但单机容量较大的谐波
各种能量的谐波干扰。自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和源。②UPS下端的设备分布较为集中。
导轨安装，将谐波消针高频噪声等干扰。②高可靠性。并联在电路中，2.1电力侧谐波治理—有源谐波保护器有源谐波保护器，
矫正因谐波影响而产生畸变的电对电力测谐波，可以快速准确地实时跟踪检测出谐波，并通过准确除在发生源。随时跟踪电源波形，
源波形。本身不耗电，而且采用谐波保护减少了仪③保障设备运行。的算法，控制IGBT实现对谐波的实时补偿。
全面克服了由于谐波污染导致用电首器设备的故障率和机器误操作，2.1.1有源谐波保护器工作原理如图1，在断路器合闸后，
故障率高的问题，保障了设备的安全运行。先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，这个过程会持续几秒装置电能利用效率降低，
安全可靠。采用超微晶合金材料，采用航空铝材和工程钟，是防止上电后对DC母线电容器的瞬间冲击。母线电压Vdc达④经久耐用，
接线端子进行了专门的耐高温处理，从而最大限到额定值后，预充电接触器闭合。直接电容作为储能元件，为通过塑料一体的外壳，
同时，直流度的保证其安全性和可靠性。IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。
3谐波的治理效果电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电
某项目根据现场测得数据，加装有源谐波保护器后通过对系统源。通过外部CT采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该
可得到如图2结果。模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和检测模块。该模块会计算机仿真实验，
将采集到的系统谐波成分和有源谐波保护器已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。
由图可明显看出，系统电流波形在经有源滤波器投入后变成光
滑的正弦曲线，谐波治理效果明显。
4总结
加装有源滤波器后：使波形①明显滤除电力系统中谐波分量，变得光滑完整，从而有效的保护了用电设备，延长其使用寿命；②提高电动机的使用效率，达到额定工作功率；③降低电容器被烧毁的风险，减少经济开支；死机现象，并保障了数④消除了计算机频闪、据的传输。
参考文献：
乔治··瓦基勒.中译本.电力系统谐波－基本原理、分析方法[1]奥地利，J
和滤波器设计.
（美）德拉罗萨DeiaRosa，译者：赵琰，孙秋野.电力系统与谐波.[2]
[3]罗安编著.电网谐波治理和无功补偿技术及装备.[4]电能质量公用电网谐波，GB\14549-93.[5]美国电气控制有限公司产品使用说明书.
