低压配电网络谐波防治设计探讨 谐波治理

　　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
　　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:
　　谐波主要次数 谐波含量（THDi）
　　3、5、7 污染程序一般：10%～15%
　　污染程序严重：15%～20%
　　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:
　　谐波主要次数 谐波含量（THDi）
　　3、5、7 、9 污染程序一般：15%～20%
　　污染程序严重：20%～25%
　　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。