云南电网电能质量——公用电网谐波问题的阐述

1 前言：

在理想电力系统中，电能是以恒定频率和幅值的三相平衡正序正弦电压向用户供电，但在实际运行中的电力系统，由于负荷是随机变化的，三相电压的幅值、频率、相位差不能保持恒定不变；特别是近几年来，随着云南电气化铁路、冶金工业、化学工业的发展以及家用电器的普及，电力系统中的非线性负荷（硅整流设备，电力机车，电解设备）、冲击性负荷（电弧炉，轧钢机）日益增加，使电网的非线性（谐波）、非对称性（负序）和波动性日趋严重，电压、电流波形不再是单一的正弦波，包含有高次谐波，对电力系统将会产生十分严重的影响，威胁到供用电设备的安全、经济运行。

2 谐波的主要危害（简述）：

谐波“污染”是电网的公害，它引起的经济损失主要是恶化了电能质量指标，降低了电网的可靠性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命，降低了产品质量。谐波的危害主要体现在如下个几方面：

2．1 增加了电网中谐振的可能，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故。当电网系统参数的不利配合和有足够强的谐波源时，串联或并联谐波谐振问题就必然成在，将会严重损坏一次设备而导致系统事故的发生。

2．2 对旋转电机产生有害影响。主要表现在产生附加损耗和转矩上，危害的严重性与谐波电压、谐波电流以及旋转电机的型式和结构有关。比如：在感应电动机的定子绕组中所有正序谐波电流都将产生正方向的电磁转矩，有助于转子的旋转，而负序谐波电流的作用恰好相反。对汽轮发电机的振荡力矩可能激起汽轮发电机复杂的耦合振荡，使转子元件发生扭力振荡并使汽能机叶片屈曲。

2．3 影响电网和供电一次设备的安全运行。

1）谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大，而谐波电流使变压器的铜耗增加，普通变压器在严重的谐波负荷下往往会产生局部过热，噪声增大等现象。

2） 除了谐波电压使电容器产生额外的功率损耗外，谐波还造成电容器与电网其它部分之间产生谐波谐振，发生危险的过电压、过电流，引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏。|

3）前苏联曾对两条同时敷设在相似环境温度下的电缆进行试验，其中一条在基波正弦电压下运行，另一条在电压总畸变率为6%—8.5%（主要为5、7次谐波），经2.5年运行后，后者的泄漏电流平均高出36%，而3.5年后则高出43%，由此可见，谐波对电力电缆的损坏程度也是相当大的。

4）谐波电压引起的电压波形畸变会影响线路电晕电压，当谐波电压与基波电压波峰重合时，可能使线路的电晕问题变得严重，而谐波电流流过输电线路时，因集肤效应使输电线路的附加损耗增大。

5） 谐波电流较大时将使断路器遮断能力降低，这是因为当电流有效值相同时，波形畸变严重的电流与基波电流相比，在电流过零点处di/dt可能较大，在严重的谐波电流时，一些断路器磁吹线圈不能正常工作。

2．4 谐波源注入系统的谐波，将会引起系统各类继电保护和自动装置误动或拒动，比如：发电机的负序电流保护、主变压器的复合电压起动过电流保护、母线的差动保护、线路的各型距离保护和高频保护、故障录波器、自动准同期装置以及音频负荷控制装置等。

2．5 谐波对计量仪表也会产生影响，比如：感应式电度表对谐波频率有负的频率误差特性，电度表对谐波消耗的功率计量是不足的，在谐波源的情况下，电度表记录是基波电能扣除一小部分谐波电能，因此谐波源虽然污染了电网，反倒少交电费；在畸变电源供线性负荷时，电度表记录的是基波电能及部分谐波电能，因此用户不但多交电费，而且受到损害。|

2．6 谐波还会干扰通信系统、降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备；谐波对通信线路干扰的物理机制主要体现在电容耦合、电磁感应、电气传导三个方面。

3 云南电网谐波现状：

九八年、九九年上半年，云南省电力局电网谐波监测站对全省十个供电局所辖范围内的172个点进行了谐波普查，普查对象主要是220kV主网和使用电弧炉等非线性负荷的大型用户，计算及分析依据是按GB/T14549—93《电能质量 —公用电网谐波》，其结果是：所有供电区范围内均有不同程度的谐波超标，严重地区的超标值已超过限值的4倍以上，大部分超标值均在限值的2倍左右，共有90个超标点，占总测点的53%，电能质量不容乐观。现列举部分超标点仅供参考。

4 云南电网谐波防治基本措施

4．1　必要性

根据云南省电力局电网谐波监测站对云南电网谐波普查的情况来看，云南电网谐波问题已经比较严重，只是人们对电力污染造成电能质量下降的严重性远不如对环境污染的严重性认识那么深刻而已。电能质量造成电能浪费和由此而引发的事故所造成的经济损失也是难已预料的，例如：1990年4月10日，晋东南电网因运行方式的需要，220kV霍长线停电检修，220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电，向地区网输送140MW，系统运行正常；20时18分，太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统，引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作，造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故，巴公电厂周波降为45.7Hz，与电网解列44分钟，晋东南11个变电站停电，电气铁道停电20多分钟，电网和用户均受到较大的损失。因此，对谐波“污染”造成的危害影响加以经常监测和限制，以及对电网谐波问题的防治技术研究是极为迫切需要的。

4．2　建立有效的电能质量监督网络，做好电能质量普查工作。

建立电能质量监督网络，积极做好电能质量普查工作，特别是谐波普查工作，普查内容应包括：基波电压、基波电流、负序电压、负序电流、谐波电压、谐波电流、功率因素、基波功率、谐波功率、谐波阻抗、谐波方向、电压波动与闪变动态变化趋势及统计数据。由于谐波的变化带有随机性，谐波造成的事故带有突发性，增加了客观分析谐波危害的困难，因此，在有条件的情况下，应尽可能建立电能质量实时在线监测网络，全面掌握电能质量数据的准确性；这是因为电能质量治理工作是一项十分复杂的系统工程，它包括了无功补偿、高次谐波抑制、平衡三相负荷、降低损耗等，投资大，技术难度高，必须有准确数据才能制定科学的治理方案。

4．3　减小谐波影响的防治措施：列举如下几种措施仅供差考。

1）增加换流装置的相数或脉动数。

从表中可以看出，增加脉动数可以消除部分谐波。

2）增加系统承受谐波能力。将谐波源由低电压、小容量供电方式改为用高一级电压、较大容量的供电方式，可以减小谐波影响。例如：昆钢由原来的温钢线110kV供电时，3次、5次谐波超标值为12.48A、6.36A，超标已较严重，现改为草钢、马钢220kV供电，供电容量增大，谐波指标均满足限值要求。

3）消除局部谐振。云南电力系统大部分变电站都装有用以补偿无功功率的并联电容器，其并联谐振频率：fp=f1Ö SS/SC，串联谐振频率：fS=f1Ö(St/ SC)-(SL/ SC)2，其中：SS为系统短路容量，SC为电容器组容量，St为变压器短路容量，SL为负荷容量。当谐波频率与fp相近时就会发生并联谐振，引起变电站母线谐波电压升高，谐振支路谐波电流过大；当在并联电容器电路中流过很大谐波电流时，就会产生串联谐振。电网局部谐振将造成电气设备因过电压和过电流而损坏。局部谐振问题花少量费用（主要是测试分析费用）就可解决，即根据测试分析的情况，调整系统负荷分布或电路参数即可。

4）防止电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，均可有效减下电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。该方法有一定的技术难度，应进行专门的分析、计算和设计。

5）加装静止无功补偿装置。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成，除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电网中已成为控制无功、电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻力的重要技术措施。静补装置的一次性投资大，在制定工程方案时应经充分的技术经济比较。

6）采用无源电力滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流，降低连接点谐波电压，是抑止谐波“污染”的一种有效措施。该装置一般由电力电容器、电抗器（常用空心）和电阻器适当组合而成，它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。无源电力滤波装置的结构简单、运行可靠、维护方便，目前已得到广泛应用。

7）采用有源滤波器等新型装置抑制谐波的措施。随着高功率大电流半导体器件及GTO的发展，有源滤波器已开始实用化，这种滤波器向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使电源的总谐波电流为零。有源滤波器由于仅补偿无功电流，因此装置容量可以大大减小，相应地降低了损耗；由于它对电网参数没有影响，不会引起谐振危险，因而使用灵活，是一种很有发展前景的谐波补偿装置。

5 结束语

谐波源产生的谐波对电力系统环境造成的污染，影响到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其污染影响的范围大、距离远，严重威胁到电力设备的安全、稳定运行，因此，对各种污染源排放的容量加以限制并进行监测和管理具有十分重要的意义。随着我省电网“无功、电压”工作会议的召开，阐述了电能质量监督管理的重要性，明确了管理机构与各发供电单位的职责，把电能质量纳入监督考核，标志着云南电网电能质量管理上了一个新台阶。鉴于上述原因，特撰稿一篇，以起到抛砖引玉的作用，供同行们参考。