1 前言
通信樞紐機(jī)房隨著非線性用電設(shè)備的大量投運(yùn)，造成了電網(wǎng)諧波分量所占比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)保護(hù)裝置的正常運(yùn)行，威脅網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，因此諧波必須進(jìn)行治理。
2 通信樞紐機(jī)房電力系統(tǒng)中諧波的主要來源與測試
2.1 諧波的來源
⑴ 發(fā)電設(shè)備
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是非常完美的正弦波。
⑵ 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波
變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10% 以上時，也會使二次側(cè)電壓的3 次諧波明顯增加。
⑶ 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波
由于電網(wǎng)電壓偏移在±7％以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都較小。因此，發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類。
① 電弧加熱設(shè)備，如電焊機(jī)等。
② 交流整流的直流用電設(shè)備，如電力機(jī)車、電解、電鍍等。
③ 交流整流再逆變用電設(shè)備，如變頻調(diào)速器等。
④ 開關(guān)電源設(shè)備，如電子整流器等。
2.2 通信樞紐機(jī)房諧波設(shè)備的情況
通信樞紐機(jī)房內(nèi)由于負(fù)載供電的不可間斷性，使用了大量UPS 和開關(guān)電源，這些設(shè)備輸入級均為三相整流，產(chǎn)生大量諧波。開關(guān)電源、UPS 設(shè)備先把交流整流成直流，再通過二次變換，變成相應(yīng)的直流與交流。期間通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時，反射高頻的諧波至電源。造成配電變壓器的中心線電流居高不下，諧波還會通過配電變壓器污染到電網(wǎng)。
2.3 某樞紐樓中一個機(jī)房設(shè)備使用與諧波測試情況
⑴ 某樞紐樓中一個機(jī)房內(nèi)設(shè)備情況
⑵ 某樞紐樓一個機(jī)房諧波測試情況
3 諧波污染的危害
3.1 增加輸電、供電和供用電設(shè)備的附加損耗
使設(shè)備過熱，降低設(shè)備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗和電能損耗，使導(dǎo)體嚴(yán)重發(fā)熱。
⑴ 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，導(dǎo)致繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)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，浪費(fèi)電力資源。
⑵ 對輸電線路的影響
由于供電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗也增加。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備形成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定的參數(shù)匹配條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波的諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關(guān)設(shè)備的危害較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大，將會引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動作，以至于導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備，與此同時還產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損，造成絕緣被擊穿的事故。
⑶ 對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高，一方面會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命；另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路，諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等原因而不能正常地運(yùn)行。
3.2 影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作和可靠性
諧波對供電系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加諧波的干擾，則會引起負(fù)序電流保護(hù)誤動，如果誤動作后引起跳閘，則后果會相當(dāng)嚴(yán)重。
3.3 使測量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確
由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz 標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時，會影響感應(yīng)式電表的正常工作。
3.4 干擾通信系統(tǒng)的工作
供電線路上流過的3 次、5 次、7 次、11 次、13 次等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，不但在鄰近供電線路的通信線路中會產(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，甚至在某些情況下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外，換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置動作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。
3.5 對供用電設(shè)備的影響。
諧波的干擾會使計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，設(shè)備內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，從而使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有提高功率因數(shù)用的電容器的設(shè)備來說，因?yàn)樵谝欢▍?shù)的匹配下，會形成某次諧波頻率下的諧振，使電容器因過熱而損壞。會導(dǎo)致供電的高低壓供電系統(tǒng)上的漏電裝置誤動作，嚴(yán)重影響供電安全。
4 諧波治理方法
目前，機(jī)房諧波治理可以區(qū)域集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應(yīng)該在非線性用電設(shè)備處分散治理，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。
4.1 無源濾波器
通過L、C 串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，工作原理如圖2 所示。
其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而存在以下缺點(diǎn)：
⑴ 只能量身定做，消除特定的某幾次諧波，而對其它某些次諧波可能會產(chǎn)生放大作用；
⑵ 屬于靜態(tài)補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)荷變動，特別是諧波分量變動時，經(jīng)常出現(xiàn)相位過補(bǔ)償而導(dǎo)致線路諧振的可能；
⑶ 諧波電流增大時，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載損壞甚至起火；
⑷ 不便于擴(kuò)容，當(dāng)用戶負(fù)載出現(xiàn)大幅度變更時，原有濾波器將不能使用，必須重新更換合適的濾波器。
4.2 有源濾波器
有源濾波器的基本工作原理是把電源側(cè)的電流波形與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)。這一技術(shù)在諧波治理上占主導(dǎo)地位，是諧波治理的發(fā)展方向。其具體特點(diǎn)如下：
⑴ 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；
⑵ 具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波；
⑶ 能有效地降低因高次諧波電流導(dǎo)致的設(shè)備和線路損耗；
⑷ 并聯(lián)型濾波器可多級并聯(lián)，解決大容量和擴(kuò)容問題。有源電力濾波器工作原理如圖3 所示。
通過檢測被補(bǔ)償對象的電流瞬時值，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出諧波補(bǔ)償電流的指令信號，控制變流器產(chǎn)生所需要的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波成份及無功電流相抵消，最終獲得期望的電源電流。
5 諧波治理效果
5.1 諧波治理后的情況
目前，在樞紐樓的諧波治理主要采用有源濾波器的方式。有源濾波器投入后一般達(dá)到如下的效果：
⑴ 總電壓畸變率THDV% 低于5%（會存在測試誤差1%內(nèi)）；
⑵ 總電流畸變率THDi% 低于5%（會存在測試誤差1%內(nèi)）；
⑶ 功率因數(shù)0.95 以上（會存在測試誤差0.1 內(nèi)）。前述某樞紐樓諧波治理后的數(shù)據(jù)列于表1。
5.2 諧波治理情況分析
從表3 可以看出，各安裝點(diǎn)相線電流下降10% 左右，零線電流下降幅度從33.3% 到78.6% 不等；零地電壓全部下降，下降幅度從4.8% 到25% 不等。有源電力濾波器不僅可以治理諧波電流、就近補(bǔ)償被治理設(shè)備的功率因數(shù)，還可以解決零線電流問題，進(jìn)而解決零地電壓問題，因此可以極大地改善電力線路的輸電效率，保證設(shè)備的運(yùn)行與供電安全?？傮w而言，只要諧波治理接入點(diǎn)選擇合適，能綜合節(jié)能約2% ～ 15%。治理效果達(dá)到預(yù)期，治理的某點(diǎn)測試原始數(shù)據(jù)分別示于圖4、圖5、圖6、圖7。
6 諧波治理的意義
當(dāng)前節(jié)能已成為各單位的重要工作。從以上電力諧波治理的情況可以看出，電力有源濾波設(shè)備可以對電氣設(shè)備產(chǎn)生的各種類型諧波進(jìn)行有效的濾除，使得電網(wǎng)凈化。降低電流波形畸變，包括高頻電流在電路和電氣設(shè)備中的損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。
用改善波形實(shí)現(xiàn)節(jié)能的效果問題，是一個與當(dāng)前諧波電流大小、電網(wǎng)阻抗特性和負(fù)載性質(zhì)復(fù)雜相關(guān)的問題，其節(jié)能效果很難準(zhǔn)確預(yù)測。其節(jié)能主要來源于電力線路損耗、變壓器接觸器類感性元件的線損和鐵損、電容器件的介質(zhì)損耗等等。電力諧波治理的附加節(jié)能效果，與諧波治理設(shè)備的現(xiàn)場安裝位置有關(guān)。一般而言，對諧波源負(fù)載進(jìn)行就近治理，線路阻抗越大、線路越長、線路中串聯(lián)感性元件越多、并聯(lián)的電容越多，節(jié)能效果越好。局限于諧波源負(fù)載附近安裝位置的限制時，也可考慮采取區(qū)域性治理。節(jié)能效果最差的是在低壓配電室靠近變壓器端的治理，這是因?yàn)閺牡蛪号潆姷截?fù)載端的諧波仍然很大，由諧波引起的線損、感性元件的線損和鐵損、電容器的高頻介質(zhì)損耗仍然存在，只有諧波治理接入點(diǎn)到變壓器端的諧波很小，從變壓器到治理接入點(diǎn)之間才具備節(jié)能效果。
因?yàn)橛性措娏χC波濾波器不僅可以治理諧波電流，還可以就近補(bǔ)償被治理設(shè)備的功率因數(shù)。因此，可以極大地改善電力線路的輸電效率。總體而言，只要諧波治理接入點(diǎn)選擇合適，能綜合節(jié)能約2% ～ 15%。
7 結(jié)束語
隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，大型非線性設(shè)備或電子器件大量的使用，使電網(wǎng)產(chǎn)生諧波更大，在供電系統(tǒng)中進(jìn)行諧波治理有不少困難，為了使通信網(wǎng)絡(luò)安全可靠供電，針對具體系統(tǒng)采取有效的措施綜合治理諧波，對提高功率因數(shù)節(jié)約能源，改善供電質(zhì)量有著十分重要的意義。