高壓電網無功補償及諧波治理

1 無功電量的概念

在平穩直流狀態下， 功率等于電壓與電流的乘積， 即：P=U×I。

在交流狀態下， 由于電壓與電流均為時間的周期函數，則功率由下式來進行計算：

當電網中的負荷含有電抗成分(通常為感性成分)或者負荷具有非線性特性時，電壓與電流就會有相位差或者電流含有諧波成分，此時電網傳輸能量的能力下降，功 率的計算值小于電壓有效值與電流有效值的乘積，于是就引入了功率因數的概念。功率因數的英文全稱是Power factor，簡稱PF。PF 是一個無量綱的小于1 的實數。

當電壓與電流用有效值表示并引入功率因數時，則功率由下式來進行計算：

當系統中沒有諧波時，功率因數就是電壓與電流相位差φ 的余弦函數即：PF = cosφ。于是功率的表達式可寫為：

P=U×I×cos?

引入了功率因數的概念以后，我們就可以利用向量的方法將電流分解為有功電流和無功電流：

式中：P 為有功功率，PL為無功功率，PS為視在功率。

有功功率代表著能量的傳遞，而無功功率是一種交流電網中特有的不傳遞能量的伴生量。

在電網系統計量過程中，還經常使用有功電量與無功電量來計算功率因數，由于有功電量相當于有功功率對時間的積分，無功電量相當于無功功率對時間的積分，因此這樣的計算結果相當于功率因數在一個計量周期的平均值。

需要注意的是：

(1)只有無功電流與無功功率的概念，沒有無功電壓的概念。因此通常所說的無功可以指無功電流，也可以指無功功率。

(2)當系統中含有諧波時，用cos? 來表達功率因數會產生較大的誤差。諧波含量越大，誤差越大。

2 無功補償的必要性

由于無功電流的存在，在傳送同樣能量的情況下，電流比沒有無功的情況下增加，會大量增加系統的銅損，降低線路與變壓器的利用率，這是顯而易見的事情。

在一個交流連接的電網中(這里強調交流連接的原因是因為直流輸電線路不傳遞無功，因此用直流輸電線路連接的若干電網可以分開為各自獨立的電網來考慮無功問 題)，無功電流在任何瞬間都是平衡的，也就是說，無功電流的發出量與吸收量在任何瞬間都是相等的， 這就是無功平衡原理。由于無功平衡原理的存在，無功電流雖然不傳遞能量，但是卻會影響電網的電壓，這是由電網中的設備性質決定的。電網中絕大部分發電機均 為同步發電機。同步發電機在激磁電流不變時輸出的無功電流與輸出電壓成反比，即：隨著輸出電壓的減少而輸出無功電流增加，反之，隨著輸出電壓的增加而輸出 無功電流減少。而電網中大部分負荷所吸收的無功電流與電壓成正比。因此，當電網中沒有補償裝置時，負荷吸收的無功功率就全部要由發電機來提供。如果系統的 無功不足，電壓就會下降，電壓下降以后，負荷吸收的無功減少，發電機發出的無功增加，從而保持無功的平衡。反之，如果系統的無功過剩，電壓就會升高，電壓 升高以后，負荷吸收的無功增加，發電機發出的無功減少，從而保持無功的平衡。也就是說，電網可以依靠電壓的變化來自動保持無功平衡。當系統中的無功嚴重不 足，就會導致電壓急劇下降，電壓下降導致發電機發出的無功電流急劇增加，這時，如果某1 臺發電機由于電流過載而解列退出電網，則無功更加不足，如此連鎖反應，會導致電網崩潰的大事故。所以在電網中設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證 用戶對無功功率的需要和用電設備在額定電壓下工作就顯得非常必要。

由于無功的不良作用，供電部門對企業35kV 客戶功率因數標準一般為0.9，因此、對于我們用戶來講，總是希望盡量提高功率因數，減少無功，減少無功的方法就是無功補償，使負荷所吸收的無功被就地平 衡， 避免大量無功電流的傳輸，這樣既可以避免低功率因數罰款，相反、還能獲得獎勵。

3 諧波的產生及危害

電力諧波對電力網(用戶)危害是十分嚴重的，它是一種電力污染，一種人們看不見、嗅不到、摸不著的污染。所以往往不被人們注意。對于電力系統，諧波是個很要命的問題!

3.1 諧波的概念

當電網中的電壓或電流波形非理想的正弦波時，即說明其中含有頻率高于50Hz 的電壓或電流成分， 我們將頻率高于50Hz 的電流或電壓成分稱之為諧波。當諧波頻率為工頻頻率的整數倍時，我們將其稱之為整數次諧波，這類諧波通常用次數來表示。例如：將頻率為工頻頻率5 倍(250Hz)的諧波稱之為5 次諧波，將頻率為工頻頻率7 倍(350Hz)的諧波稱之為7 次諧波，依此類推。當諧波頻率不是工頻頻率的整數倍時，我們將其稱之為分數諧波。這類諧波通常直接使用諧波頻率來表示。例如：頻率為1627Hz 的諧波。

3.2 諧波產生的原因。

諧波產生的原因多種多樣，比較常見的有2 類：第1 類是由于非線性負荷而產生諧波，例如可控硅整流器、開關電源等， 這一類負荷產生的諧波頻率均為工頻頻率的整數倍。例如三相六脈波整流器所產生的主要是5 次和7 次諧波，而三相12 脈波整流器所產生的主要是11 次和13 次諧波;第2 類是由于逆變負荷而產生諧波，例如中頻爐、變頻器，這一類負荷不僅產生整數次諧波，還產生頻率為逆變頻率2 倍的分數諧波。例如： 使用三相六脈波整流器而工作頻率為820Hz 的中頻爐則不僅產生5 次和7 次諧波，還產生頻率為1640Hz 的分數諧波。

諧波在電網誕生的同時就是存在的，因為發電機和變壓器都會產生少量的諧波。但是由于產生大量諧波的用電設備不斷增加，并且電網中大量使用的并聯電容器所造成的諧波放大，使得諧波的影響越來越嚴重，逐漸引起人們的重視。

3.3 諧波造成的危害

當電網中的諧波電流較大，以至于電壓波形也產生畸變時，我們將其稱之為電網被污染。電網的污染程度用電壓波形畸變率來表示，簡稱THDu。按照國家標準 GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》的規定：10kV 電網的THDu 應小于4%，400V 電網的THDu 應小于5%。諧波與無功電流不同。無功電流只影響電網的電壓，并增加供電系統的銅損，通常不會影響用戶，也不會影響計量精度。而諧波的影響可以用“無孔不 入”來形容。在電網被污染的情況下，所有電網中的設備與負荷均會受到影響。諧波與無功還有一點不同：無功電流在沒有補償的情況下會一直傳送到發電機，而諧 波電流通常全部被電網中的設備與負荷吸收掉。

當電網的諧波污染程度小于國家標準的規定時，通常不會對系統造成影響。隨著污染程度的增加，諧波的影響就逐漸顯現出來。在諧波嚴重超標的情況下，如果不進行諧波治理，往往會產生很嚴重的后果。

諧波造成的危害大致如下：

(1)對變壓器，諧波電流會增加變壓器的銅損和漏磁損，諧波電壓會增加變壓器的鐵損，諧波會增加變壓器的工作噪音和溫升等。

(2)對電纜，諧波電流可能造成線路過載過熱，損害導體絕緣體，同時高頻諧波可能造成集膚效應降低電纜的額定載流，銅損急劇增加。

(3)對表計，諧波會影響表計的計量精度。從原理上進行分析：諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變為諧波發送到電網中去，因此電能表會將諧波能量當作發電 來進行計算，從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會由于高頻率諧波所產生的高頻渦流阻力而變慢。因為在高次諧波嚴重的情況下(例如中頻爐)會嚴重影響電 能表的計量精度，導致莫名其妙的丟電現象。

(4)對精密電子設備(包括電子式電能表)，精密電子設備會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。

(5)對設備，所有接于電網中的設備的損耗都會增加，溫升增加。含有電容器的設備受影響最為嚴重，甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故.

(6)對電機類負荷，諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。

(7)對控制系統，諧波電流會造成電壓畸變，導致電壓過零點漂移，改變了線電壓之間的位置點，使得控制系統判斷錯誤而誤操作等。

諧波源的特性非常復雜，因為諧波的產生不僅僅取決于產生諧波的負荷本身，還與電網的短路容量、電網的組成形勢以及電網中的其他負荷的性質有關。因此濾波器無法做成定型產品， 必須通過技術人員對諧波源現場情況的測試，然后根據現場測試結果進行專門設計。

4 諧波的治理

無源濾波器由濾波電容器， 濾波電抗器等適當組合成LC 濾波裝置， 濾波器除起濾波作用外， 還兼作無功補償作用。LC 濾波器主要有調諧和濾波器，雙調諧和濾波器，高通濾波器，C 型濾波器等。實際運用中根據諧波電流的分布及大小以及無功需求情況設計成幾組濾波器，每一組濾波器對應某一次諧波呈低阻抗，高通濾波器對截止頻率以上的諧 波均呈現低阻抗，C 型濾波具有調諧頻帶寬，損耗低的特點。濾波器的分組需進行精密計算， 既要濾除主要的諧波電流，也要滿足無功補償要求，同時還要防止某一詞整數次頻率下由于濾波器與系統阻抗發生并聯諧振而產生的諧波電流放大。

本廠通過技術人員對諧波源現場情況的測試后決定采用的10kV 自動濾波成套裝置為3 組不等容組合，可根據功率因數定值、無功需求量依據“先投后切”的原則自動投切濾波通道，使功率因數和諧波穩定在適當的范圍內。

(1)針對系統需求選項，可同時濾除3 次到7 次的諧波電流，濾波效果明顯。

(2)既能治理諧波又能補償無功。

(3)改善沖擊負載引起的電流沖擊，減少電壓波動和抑制電壓閃變，提高電壓穩定性。

(4)可提高功率因數。

(5)采用高性能真空斷路器投切各濾波支路，完善的控制系統，保護功能齊全，具有短路保護、過壓保護、過流保護等，運行可靠，操作簡單。

5 諧波治理帶來的效益

安裝諧波治理裝置后， 帶來明顯的經濟效益和社會效益：

(1)諧波經測試達到國家標準要求，同時能有效的就地無功補償，有效的降低了諧波電流，增加了變壓器的有效容量，增加相應的帶載能力，節電率達10%～30%，減少擴容所需的投資。

(2)有效的降低變壓器的損耗，提高變壓器的安全運行系數， 保證對諧波敏感的保護裝置和器件不發生誤動作，起到節能降耗的目的。

(3)平均諧波濾除率可達70%～80% 以上，減小集膚效應，熱損、銅損、鐵損、磁損、噪音大為下降，符合國家對能源節約和降耗的指示和可持續發展的要求。

(4)有效地抑制諧波電流，提高了電壓穩定性，用電質量明顯改善，10kV 側滿足國標GB/T14549-93 優化供電質量，進而提高了產品質量，同時避免因諧波造成的交流電波形畸變而造成電網計量具不準而被當地供電部門罰款。

(5)功率因數提高到0.92 以上，使電網線損降低并提高配電變壓器的承載效率，力率調整費變罰為獎，經濟效益明顯。

(6)提高電網安全經濟運行水平，并逐步消除諧波污染，減少諧波對通信、自動裝置、電能計量和繼電器保護的干擾。

6 結束語

隨著我國電能質量治理工作的深進開展，綜合動態的諧波治理措施并同時考慮電網的無功功率補償問題，是用電企業當前面臨的一大課題。采取有力的抑制諧波的措 施，不僅能夠改善整個網絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環境，減少能耗，提高電能利用率，同時能不斷降低企業成 本，提高企業市場競爭力。