低压配电系统谐波抑制及治理设计方法探讨
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建 ·圜 l 能质磕· ●I.I、lIl qI、 |_iaI、‘·q7l 【lIH 低压配电系统谐波抑制及治理 设计方法探讨 茅靖 , 方健美 315000; (1.国网宁波慈溪供电公司,浙江慈溪2.浙江东禾工程设计有限公司,浙江宁波315040) 摘 要:介绍了产生谐波源的电气设备。阐述了谐波对电力系统的危害和谐波限 值,主要分析了低压配电系统谐波治理的措施、谐波抑制及治理的容量设计。提出 茅靖(1963--),男. 电气设计人员在低压配电系统设计阶段应采取有效的设计方法,配置合理的补偿 容量和补偿设备。才能既减少电能损耗。又能保证电气设备安全、稳定的运行。 工程师。从事高低压 配电运行管理工作。 关键词:电能质量;谐波危害;谐波治理;容量计算 中图分类号:TU 855文献标志码:B文章编号:1674—8417(2018)0l-0029-06 DOI:10.I6618/j.cnki.1674—8417.2018.01.008 压降低,线路损耗增加,造成电网容量的浪费;设 0 引 言 理想的电力系统应该具备恒定的频率和恒 定的正弦波形,并按照特定的电压标准向电网及 备的稳定性降低,各类自动及保护装置误动作; 电动机效率降低,增大电动机的工作噪声;电力 变压器的铁损及铜损增加,影响电力变压器的使 用效率,缩短电力变压器的使用寿命。因此,谐 波的治理刻不容缓。 电力用户提供相对比较理想的电源。电能质量 一般由电源的频率、电源的幅值和电源的波形畸 变来体现。 发电厂调节并控制电力系统的振幅和频率, 而非线性负荷引起波形畸变。电阻、电阻加热 器、磁感应、白炽灯等传统线性负荷的电流波形 为正常的正弦波。家用视听设备、电视机、电气 设备、焊接设备、复印机、逆变器、中频电炉、超声 l谐波表示方法 谐波失真研究可以通过傅里叶分解的方法 分析各组成部分的畸变波形,即: f)=Ao+∑A hsin(hoJ。t+ ^) (1) 式中:A。——直流分量; Al sin( 0t+ 1)——基波分量; 波装置、计算机、通信设备、变频器、冷轧钢机、充 电电气设备、变频空调、电动机、荧光灯、不间断 电源等非线性负荷的电流波形为非正常的正弦 A hsin( 。t+ h)——第 次谐波分量。 谐波畸变的度量采用总谐波畸变表示,分为 电压畸变率和电流畸变率。 电压畸变率为 波。电网及电力用户中存在这些非线性负荷,导 致大量谐波的产生,而大量谐波的产生不仅危害 电能质量,而且危害电力用户。谐波使得电网电 方健美(1973一)。女。高级工程师。从事建筑电气和变电所设计工作。 ·29· 喝现代建筑电气 ·电能质 · 觋: =^√/ 一·(2) 式中: ——第h次电压谐波有效值。 电流畸变率为 各次谐波电流。作为电源系统的负荷之一,变压 器的励磁电流也应考虑。充电器在负荷电流中 励磁电流的比例远大于电力变压器,因此充电器 等电气设备的谐波危害亦不容忽视。 (3)计算机等电气设备。一般计算机电气 设备谐波电流、电压及用电负荷的非线性用电主 要来自显示器。由于家用计算机和商场计算机 的应用普及以及计算机电气设备的谐波含有率 相对比较高,电视机的谐波电流和计算机的谐波 电流相位重合的可能性大大增加,导致计算机等 ×100% (4) 册,= =√( ) 一· ㈩ 式中:,^——第h次电流谐波有效值。 单次谐波畸变采用单次谐波含有率表示。 单次电压含有率为 HRUh= 电气设备的谐波效应迅速增加,因此计算机等电 气设备的谐波危害显而易见。 单次电流含有率为 ,. HRIh= J1 ×100% (5) (4)稳压泵、消防水泵、消防电梯、不问断电 源、生活水泵等电气设备谐波主要为5、7、9次谐 波,5次谐波比重较大。 (5)电视机。同相电压向多台电视机供电 (具有相同的谐波相位),当同时使用率相对较高 时,配电网谐波也相应增加,尤其是9次、7次、 5次和3次谐波最严重。 (6)荧光灯。不同的荧光灯谐波电流含 有率存在较大差异,因不同的荧光灯采用的整流 器也不同,而谐波电流很大一部分由荧光灯整流 2产生谐波的电气设备 许多电气设备具有明显的非线性特性,工作 时都会产生大量的谐波电流和谐波电压,当此类 谐波电流及谐波电压超过注入公共连接点的谐 波电流允许值和公用电网谐波电压限值,则危害 电力用户和电网。 (1)空调机电气设备。空调机电气设备功率 较大,每台功率在500 W以上。相关试验结果表 明,空调机谐波电流的大小随着工作状态的变化 器产生。以往普通的长管荧光灯为主要的照明 灯具,但现在照明灯具越来越多样性,多采用紧 凑型灯具,在满足人们需求的同时造成谐波污染 而变化,制热状态下,电流畸变率在22%~34%区 间;制冷状态下,电流畸变率在20%~27%区间;只 开风扇未制热制冷状态下,电流畸变率在6%~9% 区间,以2一l7次谐波为主。可见,无论是制热还 的多样性。其中电子镇流器脉冲型各奇次含有 率达15%~18%,特别是3次谐波高达70%~ 80%,3次谐波含有率较高的绕线式镇流器,一般 是制冷工作状态下,电流畸变率都不是很小,甚至 有可能较大。 可达8%~10%。谐波次数越高,含有率则越低;高 频时各次谐波含有率相对较低,一般可达3%~ l5% (2)电池充电器等电气设备。用于各种对 充电电池充电的装置均可称之为电池充电器,此 类电气设备的谐波含有率取决于电池的数量和 容量。随着全球气候变暖、资源枯竭以及国家节 3谐波对电力系统的危害 谐波对电力系统的危害比较严重,主要体现 在如下方面。 能减排的优惠政策的驱动下,属于新能源行列的 电动汽车在未来将会被广泛的应用,因此未来可 能成为主要的产生谐波电流、谐波电压的家用电 (1)部分供电线路的损耗由谐波引起。由 于集肤效应和邻近效应,线路电阻随频率增加而 提高,造成电能的损失和浪费;谐波电流可能造 器之一。因充电器的连接与单相共整流电路相 同,通过对电流的分解即可获得高次、奇次以及 .成线路过载过热,损害导体绝缘,同时高频谐波 30. 建 、ll I、【l『‘}I'e uia』、 ‘I’1 flIH 圜 可能造成集肤效应,降低电缆的载流能力。 (2)谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波电流的存在导致电力变压器产生附加的损 耗,引起过载、过热,加速绝缘介质的老化,导致 (1)对其他系统不产生干扰,使其在正常的 状态下工作。 (2)根据用户需求的电压波形向用户供电, 使其满足用户的需要。 . 绝缘损坏。正序、负序谐波电流在旋转电动机定 子中分别形成正向、反向旋转磁场,导致电动机 效率降低,发热增加。而正序、负序谐波电流在 同步电动机的转子中分别形成正向、反向旋转磁 (3)根据系统及其所接设备能够允许的水 平,将电力系统电流和电压波形的畸变控制在一 定的范围内。 公用电网谐波电压限值如表1所示。注入 公共连接点的谐波电流允许值如表2所示。 表1 公用电网谐波电压限值(GB/T 14549--1993 场,造成局部发热,缩短其使用寿命。 (3)谐波电流会使电子电气设备出现较大 的误差,甚至引起电子电气设备的失灵。谐波电 流及谐波电压一般通过磁感应、电容耦合、电感 应及电气传导等方式影响通讯及通信设备,尤其 对低频信号影响更大。如变流器等电气设备在 换相时注入的高压脉冲含有较高的谐波频率,甚 至可以达到1 MHz,这些谐波频率影响通信设 备、通信线路的正常工作,导致通信系统处于瘫 痪的状态。 (4)谐波电流使电力电容器产生发热、噪 声、鼓肚、击穿以及绝缘寿命缩短等危害。对谐 波频率比较敏感的电力电容器因自身容性阻抗 特性,以及频率与容抗成反比的特性,使得谐波 电流容易被电力电容器吸收,从而引起电容器发 ■ 5治理谐波的措施 (1)当谐波电压超过连接点处的限值,谐波 源的自然功率因数较高(如核磁共振机、变频调 速器等电气设备),非线性负荷的谐波电流较大, 谐波波频较宽(如大功率电气设备)时,谐波按下 列原则进行治理 : 热过载。此外,基波电压与谐波电压叠加时使电 压波形增多起伏,倾向于增多每个周期中局部放 电的次数,相应地增加每个周期中局部放电次数 的功率,使电力电容器产生发热、噪声、鼓肚、击 穿以及绝缘寿命缩短等危害。 ①采用专用配电回路或专用变压器供电。 ②当非线性负荷容量占配电变压器容量的 比例较大,设备的自然功率因数较高时,应在变 压器低压配电母线侧集中装设有源电力滤波器。 ③当配电变压器仅为少数重要的非线性设 备提供电源时,宜采取就地装设有源电力滤波器 4谐波限值 针对目前电网受谐波的影响,国内和国外已 公布相应的规范标准及制定相应的措施,达到限 制电力谐波的目的,防止其对电力用户和电网造 成危害。例如GB/T 14549--1993《电能质量公 用电网谐波》、IEEE 5l9—1992、GB/T 24337— 2009、IEC 61000-3-4:1998、IEC 61000-3-2:2014、 或者选用具备抑制谐波功能的设备对每台产生 谐波源的电气设备进行抑制及治理。 (2)选择合理的供电和配电系统应按照以 下原则进行配置:将线性负荷与非线性负荷的供 GB/Z 17625.6—_2Oo3、GB/Z 17625.1—_2003等相 电电源进行有效地隔离;尽可能将非线性负荷设 置在电源端;由短路容量较大的配电变压器或不 同母线段供电¨ “ 。 ·应规范标准¨引。所有规范标准都基于以下 目标: 31· ·电能质 · 吣 6 m 6 m 表2 注入公共链接点的谐波电流允许值(GB/T 14549--1993) m 啪 ∞ 衢 0 0 0 O O 如 O M 扣 £! B O O 0 O 殂 B 7 8 O 0 O 7 ● llO 75O l2.0 0 9.6 O O 6.0 O O 9.6 4.0 6.8 3。0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 8 5 5 0 O 5 ● 4 8 9 0.38 6 l0 l0 l00 l00 l1.0 6.1 3.7 O 12.0 6.8 O O 9.7 5.3 8 3 18.0 10.0 8.6 4.7 2.8 16.0 9.0 5.4 7.8 4.3 2.6 8.9 4.9 2.9 7.1 3.9 2.3 l4.O 7.4 4.5 6.5 3.6 2.1 l2.0 6.8 4.1 O L 4.1 O 4 & 3.2 8 l 6.0 35 66 l1O 25o 500 75o 2.2 2.3 1.7 O 2.5 H 0 6 8 l_9 4 1 4 3 3.6 3.8 1.7 1.8 1.3 3.2 3.4 2.5 1.5 l。6 1.2 1.8 1.9 1.4 1.4 l_5 1.1 2.7 2.8 2.1 l_3 1.4 1.0 2.5 2.6 1.9 2.6 2.0 1.9 1.5 2.8 砸 8 5 3 3 0 5 l 1 3 9 5 5 ①对于功率较大且谐波含量较高的重要电 0 O 3 6 9 率因数较低、负荷比较稳定以及谐波含量高(3、 5、7次谐波)的谐波源,抑制此类谐波源可采用有 源与无源电力滤波器共同来完成。无源电力滤 气设备(医疗建筑中的核磁共振机、CT机、X光 B 7 4 2 2 机加速器治疗机、整流装置、变频、大型计算机系 O l 3 6 7 统等谐波源),应采用专路供电。 ②合理配置谐波源,同一段母线上宜接具备 B 7 4 5 互补功能的谐波源设备,达到互相抵消谐波的 目的。 波器是由滤波电容器、电阻器和电抗器组成,包 括3种基本形式:并联滤波,串联滤波,低通滤 波。并联滤波与谐波源并联,不但具有滤波作 用,而且还有无功补偿作用;串联滤波主要适用 于3次谐波的治理;低通滤波主要适用于高次谐 波的治理。这种方法的主要缺点是补偿特性受 ③将单相负荷、两相负荷等不对称负荷分散 接到不同的供电点上或均匀合理地分配到各相, 改善三相不平衡度,达到抑制和治理谐波的目 的。三相不平衡引起电压不平衡,而不平衡的电 压将导致半导体变流设备产生附加的谐波电流 (非特征谐波)。因此,三相平衡具有一定的抑制 电网阻抗和运行状态影响,只能补偿固定频率的 谐波,且易和系统发生并联谐振,导致谐波放大, 使无源电力滤波器过载,甚至烧毁。有源电力滤 波器能对幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补 偿,其补偿特性不受电网阻抗和运行状态的影 谐波作用。Dynl1型接线组别的三相电力变压 器具有抑制高次谐波的特性,在进行电力变压器 选择时Dynl l可作为首选。 响,无谐波放大的危险。 (4)电力系统的谐波干扰包括系统外部谐 波干扰和系统内部谐波干扰两部分。谐波干扰 (3)对于容量较大、频谱特性复杂、自然功 ·32· 建 -圜 I 能质 · 、ll l、nl q I%eriaI、0.‘’’1 【Il8 属于电力系统外部的,应尽可能避免串联谐振的 发生;以5次、7次为主的谐波干扰,应避免串联 谐振发生;谐波干扰属于电力系统内部的,应以 抑制和滤除为主。 表3电流总谐波畸变率 (5)为抑制及治理谐波源,在工程设计中经 常采用无功功率补偿电力电容器组串联电力电 抗器的方案,电力系统中可能产生谐波放大的最 低次谐波的频率高于LC串联支路的谐振频率, 有效避免系统谐波放大效应。 依据GB 50227--2008{并联电容器装置设计 规范》相关规定,串联电力电抗器的电抗率应根 据电容参数与电网参数经相关计算分析来综合 考虑确定,串联电力电抗器的电抗率取值范围应 满足下列要求:用于限制谐波时,电抗率应根据 并联电力电容器电气设备接人电网处的背景谐 波含量的测量值进行选择。当谐波为3次及以 上时,电抗率取值应在12.0%左右,也可采取 4.5%~5.0%与12.0%两种电抗率混装方式;当 谐波为5次及以上时,电抗率取值应在4.5%~ 5.0%区间;仅用于抑制涌流时,电抗率取值应在 0.1%~1.0%区间。 6.2谐波补偿装置的容量估算和选型 可根据估算的谐波电流值进行设备选型,也 可根据公共联接点(PPC)或内部联接点(IPC)对 谐波的要求进行技术经济合理的选型。 (1)采用无源滤波电气装置时,可按每千乏 (kvar)无功容量折算成电流后按0.2~0.3的系 (6)谐波隔离抑制装置应装设在用电设备 前。配电线路上的变频设备应靠近被控设备安 数来计算谐波抑制电流(当非线性负荷较多时, 取0.25)。如200 kvar的无功容量其消谐式无功 装。敏感信息技术电气设备不适合置于干扰源 附近,如不间断电源、家用视听设备、气体放电 灯、变频器、配电变压器、逆变器等。 补偿电流约为288 A,此时按系数0.25折算,可 抑制72 A的谐波电流。 (2)依据谐波电流估算值来进行设计选型 有源滤波电气装置。 6谐波抑制及治理的容量设计 6.1 谐波电流的估算 (3)计算举例如下:当选择配电变压器容量 为1 600 kVA,电流总谐波畸变率取值为25%, 配电变压器的负荷率取值为0.8,配电变压器变 比为10/0.4 kV时,根据上述公式可得出谐波电 流值为448 A。消谐式无功补偿容量可根据配 电变压器容量进行计算。当消谐式无功补偿装 谐波电流的计算与测量相对比较复杂,数据 的收集相对比较困难。谐波电流的近似估计可 采用下列公式: , S Kl THD。 03 U 、,1+THD 式中: ——配电变压器的负荷率,常规设计时 一置的无功补偿容量取500 kvar时,其补偿电流 为720 A,抑制的谐波电流按系数0.3折算(即 216 A)。消谐式无功补偿只能在一定范围内抑 般取0.7~0.8; THD ——电流总谐波畸变率; s ——变压器额定容量; ——制部分谐波。要达到系统允许的谐波标准要求, 单选用消谐式无功补偿装置是不够的,需要三相 有源滤波器的配合。考虑部分谐波电流已被消 谐式无功补偿装置滤除,根据计算,系统还未被 .为变压器低压侧额定电压。 电流总谐波畸变率如表3所示。 33. ·电能质量· 滤除的谐波电流为232 A。因此,选用的三相有 源滤波器容量为200~300 A即可抑制谐波。 (4)无源滤波器结构简单、成本低,但滤波 性能不佳,而有源滤波器正好相反。因此,可采 用无源滤波器与有源滤波器配合来完成谐波的 治理。采用并联有源滤波器和并联无源滤波器 模式可以有效地进行谐波治理,其中无源滤波器 包括多组单调谐滤波器及高通滤波器,也可以只 [1] 电能质量公用电网谐波:GB/T 14549--1993[S]. [2] 低压成套无功功率补偿装置:GB/T】嚣7 —铷呕[s]. [3] 并联电容器装置设计规范:GB 50227--2008[s]. [4] 供配电系统设计规范:GB 5o052—2009[S]. [5] 建筑物供配电系统谐波抑制设计规程:DBJ/T 11- 包括高通滤波器(无源滤波器补偿吸收比较固定 626--2007[s]. 其抑制措施[J].电源世界。2011(1):36-38. . 的无功功率和频率较高的谐波成分,而有源滤波 器补偿较快的冲击性无功功率和频率较低的谐 波成分)。这种模式下,有源滤波器仍起谐波补 偿的作用,无源滤波器滤除大部分谐波,因此有 源滤波器容量很小。 张杨俊,王大伟。闰民华.电力系统谐波的危害及 熊杰锋。李群.电力系统谐波和间谐波检测方法综 述[J].电力系统自动化。2013,37(11):125·133. 辛卫东。孙国歧。梁慧媛,等.基于10 kV配网节能 降损与提高电能质量的STATCOM装置的研究 7 结 语 r;】 7 ] 8 ] 与应用[J].电气技术,17(1):145-150. r9 L rm L rn L 2016,] 于海,谢冬阳,王厚军.基于APF电能质量调节装 置的研究[J].电气技术,2016,17(2):114-116. 秦显慧。周波。黄海涛,等.不对称调制下双级矩阵 变换器的谐波分析[J].电工技术学报,2016,31 (2):102—111. ] ] 谐波的治理是长期的过程,只有严格按照 国内和国际公布的相应规范标准执行,才能有效 地减少谐波带来的危害。特别是在设计阶段 应采取有效的设计方法,配置合理的补偿容量 许胜,费树岷,赵剑锋,等.多模块APF并联系统 高频谐波环流分析与控制[J].电工技术学报。 2016,31(5):60-68. 收 II jI_JJ:20I7 12 和补偿设备,积极主动进行谐波治理,才能既 减少电能损耗,又能保证电气设备安全、稳定的 运行 Discussion OH Harmonic Suppression and Control Design Method of LOW Voltage Distribution System MAO如 ,FANG Jianmei (1.State Grid Ningbo Cixi Power Supply Company,Cixi 3 1 5000,China; 2.Zhejiang Donghe Engineering Design Co.,Ltd.,Ningbo 315040,China) Abstract:This paper introduced the electrical equipments of the generated harmonic sources,expounded the harmonic harm.The mesures and capacity design of harmonic suppression were mainly anayzed in low voltage distribution system.It is pointed out that the electircal designers should adopt the effective design methods in the design stage of low voltage distribution system,and configure the reasonable compensation capacity and compensation equipments,which not only reduces the power loss,but also ensures the safe and stable operation of the electrical equipments. Key words:power quality:harmonic harm;harmonic suppression;capacity calculation .34.
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