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低压配电网络谐波防治设计探讨

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摘要：本文通过谐波产生的机理分析和各行业用电设备谐波现状分析，提出了谐波防治措施，并给出了有源电力滤波器的设计选型方法。

关键词：非线性负载、谐波源、谐波含量、有源电力滤波器

Research and analysis on harmonic prevention design of low-voltage distribution network

Abstract： Based on the analysis of the mechanism of harmonic generation and the current harmonic situation of electrical equipment in various industries， this paper proposes harmonic prevention measures， and gives the design and selection method of active power filter.

Keywords： nonlinear load， harmonic source， harmonic content， active power filter

前言

目前，电脑、绿色照明气体放电照明光源、变频空调、变频洗衣机等普及到千家万户，智能建筑比比皆是，给人们的生活、学习、办公营造了舒适、高效、快捷生存环境，这类给人们带来诸多好处的节能、智能产品均或多或少的由非线性负载组合而成，使得低压配电网络的非线性负载容量比重日益加大，随之产生的低压配电网络的电压畸变及谐波电流对电网、非线性设备本身、同网的其它用电设备危害凸显，有的严重影响到设备运行安全、大大缩短设备的使用寿命、智能网络系统瘫痪、甚至引起火灾。

供配电网络谐波危害及亟需防治在工程设计领域已得到普通认同，并在国家、行业规范标准中逐步通过强制性标准限制谐波电流大小，在工程供配电设计中应采取谐波防治措施，确保配电网络设备不因谐波危害而产生严重后果。

1谐波分析

1.1 谐波机理及危害性

在理想的电力系统中，电压和电压都是纯粹的正弦波。实际上，当电流流过电源与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。这类非线性负载，统称为谐波源负载。

周期的非正弦电流进行傅立叶分析，就会得到一系列不同频率的正弦波电流的叠加，除了基波频率的电量，其频率为基波频率的整倍数的电流称之为谐波。

谐波次数是谐波频率与基波频率（n=fn/f1）的比值，例如150Hz称为3次谐波，250Hz称为5次谐波……

谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题，其危害表现为：谐波电流放大引起谐振、电压畸变过高；过零噪声；增大中性线电流，引起火灾；变压器和感应电动机的过热，危害电动机及变压器正常运行；断路器误动作；校正功率因数电容器的过载损毁；集肤效应，谐波电阻大于基波电阻，增加供电线路损耗；对一些敏感的电子设备造成损害，造成通讯数据丢失。

1.2各行业谐波分析

笔者长期从事工程领域电气设计工作，通过对设计项目回访，并针对谐波问题进行基础数据收集，在各用电设备供应商及生产单位设备管理人员共同努力下按季节、多时段的对各单位主要供电电源点的电流波形数据采集分析，对各行业谐波特点有了基本了解，各行业配电网络谐波源及谐波特点表现如下：

1.2.1办公写字楼宇

目前办公写字楼建筑智能化程度越来越高，用电设备中的非线性负荷用电设备数量和比重都迅速增大，对城市电网造成的电能质量污染日益严重。

在这些大量自动化设备里面，常见的非线性负载有：视频显示类设备（CRT和LCD型显示设备），计算机设备，空调，各类节能照明设备（荧光灯、各种高压气体放电灯、调光灯等），办公类用电设备（打印机、复印机、扫描仪、投影仪等），调速驱动（变频水泵、空调用压缩机、大型电梯）。这些都将成为低压供电系统的谐波畸变扰动源。

建筑内的配电具有单相设备多，非线性负载比例高和特点，所引发的电能质量问题主要有：

1）大量的零序三次谐波电流注入电网，使低压供电母线三次谐波电压严重超过国标限值，影响低压用电设备的安全正常运行，特别是对谐波敏感的设备。

2）中性线上的电流过高（零序电流会在中性线上叠加，主要是三次谐波电流），而导致中性线发热，线损增大，而中性线在设计时所选用的导线较细，因此容易由于温度过高而引起火灾。

办公楼宇的谐波特点见下表：

1.2.2 医院

医技设备是重点的谐波源：主要是核磁共振设备和加速器。

核磁共振设备：谐波的频谱很复杂，典型的频谱集中在3、5、7、9次，谐波频谱范围大约在3～43次。

加速器：典型的频谱集中在3、5、7、9、11、13次，频谱宽，谐波频谱范围大约在3～49次。

对某个医院的设备进行测试，由测试数据分析发现：加速器、X光机、胃肠机等设备产生的THDi大约在50%～60%；CT（计算机断层扫描）、磁共振、DSA（数字减影血管造影机）等在30%左右；电子检测设备、手术室、伽玛刀等在10%～15%之间；变频设备在35%左右等。

医院配电系统中的谐波电流具有如下特点：

1）谐波源产生的谐波电流的频谱很宽。

2）谐波电流畸变率很高，设备的自然功率因数也很高。

3）医院内电子设备、医技设备很多，这些设备对谐波很敏感。

4）大量的谐波电流和谐波电压，会影响配电系统中继电保护设备的正常工作，影响配电系统的供电连续性。

医疗建筑的谐波特点下表：

1.2.3通信机房

从保障通信用电高可靠性中运用的设备来讲，UPS是不可或缺的一部分。在当今的大中型UPS的生产中，较多采用6脉冲可控硅整流型UPS的设计方案。UPS可以向负载提供稳压高精度、稳频、波形失真度小的高质量电源。

UPS和通信机房内直流开关电源的使用，一方面很好地解决电压不稳、供电连续性等一般用户都非常关注的电能质量问题，但是由于UPS和直流开关电源的输入侧均采用整流电路，因此两者成为了电网中主要的非线性负载。

所引发的电能质量问题主要有：

1）产生大量谐波电流，对电网造成污染的同时，也可能将谐波转移到IT设备上，对通信系统造成非常大的干扰甚至危害。谐波对这些系统非常敏感，可能出现如计算机系统瘫痪或死机、停滞、失真和系统控制失常，这将会造成很大的损失。而且应该特别指出谐波的干扰隐藏着随时都会发生的整个系统崩溃的灾难。

2）谐波会导致备用发电机的功率损耗，降低电机满负荷运行的输出功率，对供电安全造成影响。

谐波分析：UPS在使用当中，通常采用“N+1”冗余。那么导致UPS的输入侧电流THDi（总谐波畸变率）往往有所不同，有的情况下，THDi可超过50%，污染相当严重。下表为某公司对UPS输入侧的谐波实测结果。

1.2.4银行金融

银行和证券系统采用高质量及安全稳定的自动化管理，采用了庞大的办公自动化、设备自动化系统、通信自动化系统。银行和证券系统机房中大量的UPS和开关电源，产生了大量的谐波。除此之外，办公系统中大量使用的电器设备以及变频器控制的电梯和空调也产生相当大的谐波。谐波对银行和证券系统自动化控制非常敏感，可能引发计算机系统瘫痪、系统控制失常，而且银行系统实行联网运行，如数据处理中心发生故障，将影响整个联网系统运作，这将会造成无法估量的损失。

银行金融建筑的谐波特点见下表：

1.2.5公共设施

公共设施包括大型的演艺中心、演播室、会展中心、体育场等。

以上这些场合对光影和声音要求很高，舞台调光主要是采用的可控硅调光系统，基本原理是利用相控整流调节输出电压幅度，通过改变可控硅的控制角度大小来控制灯光两端的电压范围，从而实现灯光亮度调节。相控整流的基本原理决定了这类负载工作时尤其是轻载工作时电流畸变严重，给配电系统带来了谐波污染。另外，UPS与中央空调系统也是常见的谐波源。

使用有源滤波器滤除谐波后，可以保障调光系统、音响等电能质量敏感设备正常工作，避免开关柜误动作，减免谐波挤占变压器容量，消除3次谐波在中性线叠加导致的中性线过热的严重安全隐患。

1.2.6公共设施建筑的谐波特点见下表：

1.2.7生产制造业

大型的生产和制造行业种类繁多，典型的有卷烟厂、汽车制造厂等。

卷烟厂的负载种类多，包括：1）生产设备：制丝生产线、卷机包生产线、装封箱等生产线上的生产设备；2）动力中心负载：包括风机、水泵等。以上这些设备多数采用变频驱动设备，此外还有部分使用直流调速。无论前者还是后者，其电气设计中均采用了整流电路，给系统带来严重的谐波污染。

谐波对自动化生产设备的影响不容忽视，会影响其安全运行，由于负序谐波的存在使电机的效率降低；并会造成严重的电能浪费。所造成的危害主要有如下：

1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；对于补偿用电力电容器和串联电抗而言，高次谐波电流在通过电容器回路时，有可能引起串联谐振或并联谐振现象，引起过热损坏、振动、闪烁等事故；据统计，由于谐波而破坏的电气设备中，电容器约占40%，其中串联电抗器约占30%，其他因谐波而损坏的电气设备也与电容器有很大关系。

3）谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏，甚至引起严重事故。

4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作（如继电保护，熔断器等），同时也会导致电气测量仪表计量不准确。

5）谐波通过电磁感应和传导耦合等方式会对邻近的通信系统产生干扰，轻者引进噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

生产制造业建筑的谐波特点见下表：

1.2.7污水处理厂

污水处理厂采用了大量电力电子设备，如UPS、变频器、软启动器、计算机设备等。电力电子设备属于非线性负载，它们从系统中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是采用脉冲间断方式从系统中索取电流，导致输入侧电流发生畸变。这些电力电子设备是污水处理厂的谐波源，这些设备的运行工况经常发生变化，如潜水泵、鼓风机组中大量采用的变频器，其谐波分量及比例变化较大，对供用电造成的影响也较大。

实际的过程中，由于鼓风机房是非线性负载中心区，多台鼓风机集中使用变频器，很可能产生大量的谐波，谐波能造成电动机发热异常，连续工作时状态不稳定，电动机震动较大，导致鼓风机无法正常运行，降低污水处理效果，严重时使污水处理流程中断，不仅造成直接的经济损失，而且还导致水体环境受到污染。因此，必须进行污水处理厂谐波治理，减少谐波污染。

污水处理厂的谐波特点见下表：

1.2.8其它行业

除了上述行业外，还有石化、矿产开发、钢铁厂、有色金属加工、玻璃厂、港口、城市交通等场合均会受到谐波的污染。在这些行业当中，常见的谐波源有热轨机、冷轧机、点焊机、中频炉、电弧炉、直流电机、变频器、电解槽等。这类企业的特点就是负荷电流较大，而且电流变化快速，冲击性强，而且电压等级也有所不同，目前还难以进行一般的统计。

对上述行业进行谐波治理，建议采用生产使用过程中通过实测电压、电流畸变率，对谐波就地治理或者部分治理。

2 各行业谐波分析结果及治理方式

3 谐波防治措施

从谐波源出发，减小注入电网中的谐波，采用先进的整流技术，减小谐波的发生。安装滤波装置，滤除谐波，采用Δ/Y变压器，消除3n次谐波；采用无源滤波器，滤除几个特定频率的谐波；采用有源滤波器，滤除0-50次谐波。

有源滤波器（Active Power Filter，APF）系统结构示意图如图A所示。 APF并联在电网Source和负载Load之间。APFl通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后输出PWM信号给内部IGBT，使得逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，相位相反的谐波电流iH注入到电网中，使得流入电网的电流为纯净的正弦波电流，从而达到消除谐波的目的。

以上通过对无源电力滤波器和有源电力滤波器对供电网络谐波治理效果分析，可以看出有源电力滤波器能动态消除各次谐波，所以对非线性负载变化较大、对负载谐波敏感的重要设备和重要场所应采用有源电力滤波器消除谐波，负载性质稳定的场所宜采用无源电力滤波器，可以降低工程造价。

各行业建筑谐波防治具体措施如下：

建筑物谐波源较多的供配电系统，应选用D，yn11接线组别的配电变压器，且该变压器的负载率不宜高于70%；省级及以上政府办公建筑，银行总行、分行及金融机构的办公大楼，三级甲等医院的医技楼，大型计算机中心等建筑物，宜在敏感医疗设备、重要计算机网络设备等专用配电干线上设置有源滤波装置；谐波源较多的一般公共建筑，可在办公设施、计算机网络设备等配电干线上设置滤波装置；当采用无源滤波装置时，应采取措施防止发生系统谐振；建筑物谐波源较多的供配电系统，当设有有源滤波装置时，相应回路的中性导体截面可不增大；建筑物谐波源较多的供配电系统，当设有无源滤波装置时，相应回路的中性导体可与相导体等截面；有大功率谐波骚扰源的馈线上，宜设置滤波装置；或在此类设备的电源输入端设置隔离变压器，且中性导体截面积应为相导体截面的两倍；音乐厅及影剧院等建筑物中，舞台调光装置宜采取有效的谐波抑制措施；当未采取措施时，其供电线路的中性导体截面积，应为相导体截面积的两倍；音响系统供电专线上宜设置隔离变压器，有条件时宜设有源滤波装置；为X光机、CT机、核磁共振机等谐波较严重的大功率设备供电的专线，应按低阻抗馈电线路的要求进行设计；功率因数补偿电容器组宜配电抗器。

4 有源电力滤波器设计选型

4.1谐波治理设计标准

GB/T14549-1993 《电能质量公用电网谐波》对谐波电压作了限值，对谐波电流注入公共连接点的大小做出限值。电网公共连接点谐波电流允许值计算公式：

4.2 新建工程有源电力滤波器选型设计

4.2.1有源滤波器设计流程

总体来说，对于新建项目，电气设计人员在对有源滤波器进行设计上图时，可按如下的流程图进行：谐波电流计算―产品选型―尺寸确认―上图。

4.2.2设计方法：

1）谐波电流的计算涉及到诸多因素，目前对于谐波电流的计算，可以使用专用的电能质量分析仪。但是对于新建项目设计阶段，电气设计人员并不能获取到足够多的电气设备谐波数据，笔者认为根据前述各行业的测试及经验总结，得到经验公式供电气设计人员在设计上图时作为参考。

2）通过如下的经验公式（1），可以满足设计要求，根据计算出来的谐波电流来选型有源滤波器。

3）经验公式介绍：

公式参数介绍：

：谐波电流（单位：A）；S：变压器的容量（单位：kVA）；U：变压器二次侧额定电压（单位：V）；K：负荷率，变压器设计时的取值范围在0.6～0.85； THDi：电流谐波总畸变率，取值范围视前述行业的不同、各行业负载的不同而定。

4）就地治理

以上的公式（1）是针对在变压器二次侧对谐波进行集中治理的情况而定的，在这里，推荐设计人员在变压器二次侧进行治理。若配电中存在较大功率的谐波源负载，亦可以在负载的输入端进行就地治理。可以使用如下公式（2）进行计算：

公式参数介绍：：谐波电流（单位：A）；表示设备的额定电流；K：设备负荷率，设计中应考虑实际运行取值0.75～1.0； THDi：设备电流谐波总畸变率，视负载设备的不同而定，可由设备厂商资料查询。

4.3 改造工程谐波过滤器流程

1）电能质量诊断;

2）谐波分析和建立对策;

3）确定谐波过滤器容量；

I rms（A） =0 .013x（（THDio）-（THDif））xIH

式中THDio：改善前的电流总谐波畸变率 THDif；改善后的电流总谐波畸变率；IH：谐波含量。

例：谐波含量250A，改善前电流总谐波畸变率55%，改善后电流总谐波畸变率5%。

Irms=0.013*（55-5）*250=162.5A，可选择规格为165A有源滤波器。

4）查勘工程现场，确定安装位置及方式

5）作施工方案

6）组织施工器件

7）施工并组织验收测试

8）效果评价

9）用户意见收集

5 结束语

笔者通过大量的收集数据分析整理出了不同行业、不同功能的建筑低压供电网络谐波电流特点，以污水处理厂及通信机房电流谐波总畸变率最大，在40%左右；演艺中心等公共设施电流谐波总畸变率次之，在25%左右；医疗建筑、银行金融及一般制造行业电流谐波总畸变率相当，在20%左右；办公楼宇电流谐波总畸变率较小，在15%左右。明确了不同行业的配电网络谐波治理方式，一般以集中治理为主，大型医疗设备、污水处理厂及通信机房可靠就地谐波治理。给出消除谐波有缘电力滤波器的设计选型参考方法。

笔者数据采集来源有限，不妥之处敬请同行批评指正。

参考文献：

《电能质量、共用电网谐波》（GB/T 14549-1993）

《测试和测量技术电能质量测量方法》IEC61000-4-30

《民用建筑电气设计规范》 JGJ16-2008

《中国移动通信局房供电系统谐波治理指导意见》

《中国电信节能技术与应用蓝皮书》

作者简介：

代碧伦，高级工程师，国家注册监理工程师、注册电气工程师（供配电），中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司；

熊祥春，高级工程师，中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司；

贺定毓，工程师，重庆豪能韦尔电气有限公司

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