低压配电系统中三次谐波的分析与有源电力滤波器解决方案

低压配电系统中三次谐波的分析与有源电力滤波器解决方案安科瑞王志彬2019.1【摘要】在非线性电气设备运行中时常会产生谐波电流，若没有得到有效的处理，会直接影响到低压配电系统的运行安全。本文介绍了低压配电系统谐波电流的危害和现状，结合谐波特点分析了谐波电流对低压配电系统的影响，并提出一些有效的抑制措施。针对已经投入使用的大型商业广场低压配电系统N线电流异常情况进行评估总结。结合理论和实测数据分析产生异常的原因，以及带来的危害叙述，并给出解决问题的方法和建议方案。【关键词】低压配电系统；谐波电流；电容器；抑制措施；三相不平衡；N线电流；三次谐波；有源滤波随着我国社会经济建设步伐的不断加快，科学技术水平得到进一步的提高，开关电源、整流器和变频器等非线性电气设备使用越来越频繁，对供电系统的电能质量要求有所提高。在非线性电气设备运行过程中势必会产生谐波电流，这不仅影响到配电系统本身的正常运作，而且也会影响到其他电气设备的安全。谐波电流导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，已成为了低压配电系统的一大公害。因此，如何降低谐波对配电系统的危害成为了技术人员急需解决的问题。本文分析了谐波电流对低压配电系统的影响，寻找有效的抑制措施解决谐波危害，保证配电系统的正常运行。1.谐波的危害理想的电网提供的电压应该是标准频率和规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现使用电设备所处的环境恶化，对用电设备和通信系统带来了很大的危害，由谐波引起的设备故障不断发生。2.工厂低压配电系统谐波的现状在工厂中强电、弱电多个系统并存，高压（35kV、6kV）、低压（380V、220V、24V）多种电压等级并存，交流、直流多种供电制并存，所以有效抑制谐波电流创造更好的电磁兼容环境，是保证生产流程正常运转的首要任务。工厂内存在大量的非线性电气设备，归纳起来有以下几种。2.1变配电室直流屏在工厂内有变配电室自用电的直流屏、6kV变电所操作系统的直流屏。此类设备含有高频开关整流（三相桥）模块、充电器等，所以会产生谐波电流，主要产生5次及7次谐波电流。2.2电解整流系统工厂内存在电解铅整流系统，包括ZHSZK-1600型6kV整流变压器及KIIS-8000A/135V型大电流整流柜等设备，其采用三相双反星形桥式整流方式，产生大量的5、7次甚至更高次的谐波电流。2.3风机、水泵用变频器和软起动器功率较大的风机和水泵电机均配置了变频器或软起动器，以达到改善起动条件及运行节能的要求。变频器及软起动器主要采用三相桥式整流（6脉冲），主要产生5次或7次谐波电流。2.4弱电系统电源工厂内弱电系统很多，有设备控制系统（plc控制）、厂区通信系统、厂区监控系统等。其中许多电子设备均使用开关模式电源，从而使各弱电系统内产生大量的3次及高次谐波。2.5气体放电灯（高压钠灯、荧光灯等）及镇流器为满足照明节能及照度要求，厂内各类办公室多采用荧光灯，厂房构筑物大都采用高压钠灯，厂区道路照明大都采用节能灯或高压钠灯。上述荧光灯、高压钠灯、均为气体放电灯，电路中含有电弧，电弧的负阻特性（电弧电阻随电流增大而急剧减小）产生谐波电流。这些光源的电子镇流器功耗低，可提高光源寿命，所以在厂内的照明系统中大量使用。电子镇流器在整流后，再将直流逆变为高频交流电，在此过程中产生谐波。高压钠灯、荧光灯和镇流器主要产生3次谐波电流。2.6检修电源厂内的检修作业，难免产生电弧。电弧的负阻特性会产生谐波电流，但由于产生电弧的检修工作时间很短，对电网影响不是很大。3.谐波电流对低压配电系统造成的影响3.1变压器谐波电流使变压器铁损、铜损增加，同时使温度上升并产生噪声。变压器损耗的加大，会使绝缘介质老化加速、寿命缩短。由于谐波电流的存在，变压器额定容量可能会加大，从而使变压器利用率降低，增加了建设成本。低压配电系统中，配电变压器均采用△/Y型接线方式，这给零序谐波（3次及3次的整数倍次谐波）在变压器一次侧绕组内提供了环流通路，从而抑制了3次谐波向电源端的传导。但变压器的这种接线方式并不能阻止其他频率谐波传到电源端，而且无论谐波电流是否被传到电源端，所有的谐波电流均会使变压器损耗加大。3.2电动机谐波电流会使电动机损耗增加、利用率降低。电动机损耗的增加使线圈温度上升并使电动机寿命降低。尤其是负序谐波对电动机产生的影响及危害会更大。谐波相序的划分，它表示了电动机中相对于基波磁场的旋转方向。由表1可见5次、11次等谐波便是负序谐波，它所产生反方向的旋转磁场会使电动机的转矩下降，它和正序分量一起会使电动机产生抖动，随之产生噪声。谐波电流使电动机功率下降，要保证电动机输出功率，就需增加输入电流，从而造成功率损失，温度上升。3.3电容器为提高功率因数及配电变压器的利用率，工厂各车间的6/0.4kV降压变配电室0.4kV母线上都设置了电容器补偿柜。由于并联电容器容抗随电流频率的增加而减小，电容器组对谐波电流的低阻抗特性表现出了对谐波的吸收作用，所以电容器组具有一定的滤波作用。谐波电流的存在可能会使电容器过流发热，甚至击穿绝缘。尤其是当发生某一谐振时，谐波电流会很高，情况更为严重。目前电容器组前一般串联电抗器，但由于设计原因，现有电抗器的电抗率太小，根本起不到抑制谐波的作用，只起到了限制电容器合闸涌流的作用。3.4电线电缆由于零序谐波电流在中性线上的叠加，所以为照明系统、自控系统、监控系统、通信系统等负荷供电的电缆宜选用中性线与相线等截面的电缆，这点在规范中也有相应的条款。交流电流的集肤效应，尤其是高次谐波的集肤效应却尚未引起注意。交流电流趋向于在导体的外表面流动，称为集肤效应。特别是5次（300Hz）以上的谐波，集肤效应更加显著。集肤效应会导致电线电缆阻抗增加、温度升高、损耗增加，甚至绝缘损坏而引起事故发生。在为非线性设备配电选择电缆时，电缆的额定容量需适当降低，以便留出适当的容量裕量。在现代商业建筑中，非线性负载分为两类：三相负载和单相负载。典型的三相负载以变频器（VFD）和不间断电源（UPS）为主，VFD在中央空调和电梯中广泛应用，UPS为许多设备提供稳定的电源支持；而单相非线性负载主要应用在节能灯、LED屏和计算机等设备上。这两大类的非线性负载都会在相线中带来大量的谐波污染，其中单相非线性负载的3、9、15次等零序电流不少，此类谐波会在中性线上叠加，造成中性线过流，甚至会带来火灾风险。4.N线电流异常的理论中心线电流异常原因大致可分为两类：一是三相基波电流不平衡导致中性线基波电流过大；二是因为零序谐波电流在中性线叠加导致电流过大。非线性设备中产生的电流可以采用傅里叶级数分解来描述各次谐波，其中单相整流回路产生的电流经过分解展开后主要谐波满足3N次特性，即以3、9、15次等符合3N次特性的谐波为主，其中3次谐波含量最高。3次谐波电流主要由单相非线性负载产生，由于3次谐波属于零序谐波，在三相电网中，各相的相位差为120°，这正好是3次谐波电流的周期，每相负载内的3次谐波电流在中性线汇集时，其中瞬时值是直接同相相加，如图1所示，所以中性线上的3次谐波电流大于相线上的3次谐波电流，有时候中性线电流还要大于基波电流，甚至于接近相电流的2倍。图1三次谐波在中性线上的叠加5.实测验证上述不仅仅是理论，实际上在用户现场可以实测到上述波形，数据测量如下：图2电压电流波形图3电流和电流畸变率图4A相各次谐波列表图5B相各次谐波列表图6C相各次谐波列表图7N线各次谐波趋势表1测量统计数据电流电流畸变率谐波电流功率因数电压畸变率3次谐波5次谐波7次谐波A相989A18.67%186A0.952.62%158A83A35AB相898A18.86%169A0.952.57%143A75A37AC相923A20.77%192A0.952.82%165A86A31AN相455A98.54%449A442A9次谐波50A6.结论根据表1数据统计，发现N线电流过大，已经达到相线电流一半，主要成份就是三次谐波，含量高达442A，A相、B相、C相电流里三次谐波分量分别是158A、143A、165A，可明显发现N线三次谐波电流的含量基本等于各相三次谐波电流含量的线性叠加，谐波含量极其大，且谐波发热量比基波电流大很多，引发N线对地电压大，给主要负载用电带来安全隐患，甚至给客户带来巨大的经济损失，谐波治理刻不容缓。