居民用电中的谐波分析
张新建1，徐柏榆2
（1. 广东省广电集团有限公司，广东 广州 510600；2. 广东省电力试验研究所，广东 广州 510600）
摘 要：以2个常见城镇居民家庭用户为例，分析了居民用电中的谐波电流、谐波电压的特点和谐波来源，指出居民用电会出现较严重的谐波污染，并会带来多方面的不良后果，同时提出了相应的解决办法。
关键词：居民用电；谐波电流；谐波电压
城镇居民用电的电能质量问题，直接关系居民用户的生活水平，随着家用电器种类、数量的增多和电器功率的加大，以及民用负荷中商业、服务业使用电子功率元件用电设备的增多，民用负荷供电网中的谐波分量不断增加，使电能质量问题日渐突出。本文根据常见居民家庭用电的测试情况，就居民用电中的谐波问题进行讨论。
1测试实例分析
测试对象为常见家庭用户，家庭音响、微波炉、电子调光灯具等不列入测试范围。
1.1实例
1.1.1用户1
用电设备：200 W彩色电视机（74 mm）、1.7 kW分体式空调机、200 W冰箱、40 W电脑和60 W电风扇各1台，40 W钨丝灯1盏。
用电情况：用户所接的公用变压器额定容量为800 kVA，全为民用及办公负荷（单相交流220 V用电设备），高峰负荷接近额定容量，测试时各设备（除冰箱测试时不在制冷状态外） 都在正常工作状态；测试时段属冬季居民日用电高峰时段（一般家用空调机已停开），亦是系统日负荷高峰时段。实测用户电压、电流波形见图1。
1.1.2 用户2
用电设备：100 W彩色电视机（53 mm）、900 W分体式空调机和250 W冰箱各1台，150 W日光灯1盏。
用电情况：用户所接公用变压器额定容量为630 kVA，全为民用类负荷（单相交流220 V用电设备），夏季高峰负荷略超过额定容量，测试时各设备都在正常工作状态；测试时段属秋季居民日用电高峰时段（一般家用空调机已停开），亦是系统日负荷高峰时段。
1.2测试结果
表1、表2分别列出2个被测用户的电能参数和所在供电母线电压谐波水平及用户各
次谐波电流的成分的分析结果。
1.3测试分析
从测试数据看，被测用户用电环境的谐波污染有以下特征：
a) 0.4 kV供电网络电压波形畸变严重，畸变率分别超过8%和10%，大大高于国家标准规定5%的要求。谐波电压中以三次、五次、七次和十一次分量为主。 b) 被测用户用电电流波形畸变也较严重，分别超过24%和22%，谐波电流中以二次、三次、五次和七次分量为主。
c) 用户基本上没有消耗基波的无功功率，但设备在强迫整流换流过程中还是需要部分谐波性质的无功功率。
以上2个用户各自接入不同的公用变压器，且变压器负荷都较重，用户的用电设备在城镇中也较为普遍，因而对这两个用户的测试有一定的代表性，但是测试时间时值秋冬，其他用户的空调机已停开，故测试数据仍未反映夏季高峰负荷的情况。
1.4谐波污染源
为了了解用户谐波电流的来源，我们专门测量了用户的几种用电设备的谐波电流，其结果见表3。
表3数据因设备的品牌、型号、工作状态不同而有所差异，但不会有太大变化，不失其代表性。由表3可知，正是家用电器本身在用电过程中产生了大量谐波电流，虽然每台设备功率不大，但由于用户众多，使用时间集中统一，使供电网中出现大量谐波电流，并通过网络阻抗形成谐波电压，导致电压波形产生严重畸变，从而污染整个网络。
2问题与对策
2.1问题
在以上实例测试分析时已发现，在有大量居民用电负荷的重载变压器的供电网络中，会出现较严重的谐波污染，从而会引起类似以下的不良后果：
a) 谐波分量会辐射到其他电压级别的电网，将谐波污染进一步扩大。实际上，随着社
会的发展，居民用电不断增加，其在整个电网负荷构成中所占比重也不断加重，居民用电负荷已成为继工业非线性负荷之外的又一重大谐波污染源。
b) 近几年对广东省220 kV，500 kV电网的多次监测表明，电网电压波形总畸变率的日变化曲线有2个高峰期，其中1个在19时至22时之间，与居民用电高峰期（也是电网日用电高峰期）十分吻合。
c) 居民用电负荷供电端电压波形严重畸变，对家庭用电设备产生严重干扰。按照产品设计要求（与IEC标准相一致），各类家电设备（包括电脑等IT产品和电能计量表计）对电源电压波形畸变率的要求是不大于5%，超过这一限值时设备效能和设计寿命将难以保证。事实上，有相当部分用户的电器设备工作电源电压波形畸变率远高于5%。
d) 大量谐波分量的出现，将使用户设备附加损耗大大增加，温度升高；同时，亦会增加电网损耗。
2.2对策
显然，要解决上述问题，就必须对供用电过程实行有效监管，改善网络电流、电压的波形，以提高供电网的电能质量。可以通过以下方法达到这一目的：
a) 加强监察，在各公用变压器低压端装设在线谐波监测设备（投资不大），以便检查人员随时了解络谐波污染的实际情况，及时发现和解决问题。
b) 灵活利用变压器的接线方式（例如△/Y接法），三次及其倍数的谐波电流进入上一级电网。因为类似电视机等设备，其产生的谐波电流以三次最大。
c) 在谐波污染
严重的网络，应在公用变压器低压端装设滤波装置，以有效吸收各次主要的谐波电流，降低谐波电压水平。
3结束语
随着电网用电量不断增加，网络的谐波污染情况也在加重，在网络的末端（与用户的界面），情况尤为如此。
作为电网重要污染源的居民用电，其对电力系统的影响正日益加重。
对这一污染源的管制，应考虑到居民用电的特点，例如其个体容量小，但用户数目众多；设备用电特性相似，且用电时间集中统一等等。所以根据这些特点提出了治理的办法，包括用电监管措施及降低谐波污染的具体方法，以期达到改善电能质量、提高居民生活水平、改善电网运行条件、促进电力市场健康发展的目的。
相关观点可供有关部门在制订城网建设规划和城网改造方案时参考
