浅谈配电系统中的谐波治理设计

长江航运规划设计院 付明立

浅谈配电系统中的谐波治理设计

长江航运规划设计院 付明立

随着社会不断发展，民用及工业用电设备种类越来越多，电力系统的谐波问题也越来越明显的影响电网和用电设备的正常运行，在配电系统中，谐波治理对于保证电力系统的稳定、安全运行尤为重要。文章主要介绍了电力谐波类别、危害，谐波电流计算，在配电系统设计中提出了抑制谐波的措施和个人体会。

配电系统；谐波电流；有源滤波；串联电抗器

1 谐波的定义

交流电网中，存在许多非线性的用电设备，会使电压波形变为不同程度畸变的非正弦波。采用傅里叶级数分解这些非正弦波，可分解成与工频相同分量的基波，和基波成整数倍数的就称为谐波。主要谐波源可参见表1。

表1 主要谐波源

2 谐波的危害

配电系统中一旦谐波超标且未有效抑制，会对整个配电系统中的各个环节产生不利影响，具体可见表2。

表2 谐波危害

3 谐波计算

谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，目前国际上以傅立叶分解来研究和分析。在工程配电系统设计，我们关注谐波电流。

谐波电流本身的测量、计算比较复杂，在工程设计阶段往往难以搜集到足够的电气参数数据，一般根据下面的公式对估算：

K1------- 变压器的负载率，常规设计一般取0.7～0.8；

THDi---- 电流总谐波畸变率，不同建筑的取值可参考表3，电流总谐波畸变率；

ST----- 变压器额定容量（kVA）；

US----- 变压器低压侧额定电压（kV）。

表3 电流总谐波畸变率表

工业20%变频驱动、直流调速驱动水处理25%变频器公共建筑25%调光设备、UPS、中央空调

4 谐波抑制在配电系统的设计方案

配电系统设计采取的抑制措施主要考虑从谐波达标水平、效果、经济性和技术是否成熟等多个角度综合考虑，下面从抑制谐波干扰、谐波治理两个大方面介绍常用的措施。

4.1 抑制谐波干扰

为了让电力设备更好的运行，避免谐波干扰带来的不稳定，配电系统工程设计中一般是采取通过电气设备物理空间、谐波源自身参数入手，具体方法如下：

（1）合理配电，非线性负荷靠近电源端；非线性与线性负荷由不同母线段供电。也可将谐波源改由较大容量的电源或高一级电压的电网直接供电。

（2）配电系统设计时，两种电容器装置应远离：提高功率因数的电容器，使高频电流流入的电力电容器。或者将具有谐波互补性的设备集中布置，即对装置的配置或工作方式有一定的要求。

（3）在无功功率补偿回路中串联非调谐谐波电抗器抑制谐波时，为避免产生谐振造成对系统谐波放大，L-C串联支路的谐波频率应低于系统中可能产生谐波放大的最低次谐波频率，或者串联一定感抗值的电抗器，或限制电容器组的投入容量。

（4）变频设备应靠近被控设备。不宜将对谐波敏感的信息技术设备布置在谐波干扰源附近。

（5）选用D，Yn11型的三相变压器供电。

4.2 谐波治理设计

前面谈到的是抑制谐波干扰，虽然有一定作用，但都是被动远离谐波，局限性强，无法治理或减少谐波，下面以主动治理谐波设计的方法阐述：

采用有源滤波器：适用于当公共连接点或系统装置内部接点处的谐波电压超标或谐波源的功率因数较高，如大功率整流设备。a.当非线性负荷容量占比配电变压器容量较大时，自然功率因数较高时，宜在变压器低压配电母线侧装设有源电力滤波器。b.当一个区域内有较分散且容量较小的非线性负荷时，宜在末端配电箱母线装设有源滤波器。c.仅有少量非线性的重要设备，宜分散就近对成套电气设备配置上装设有源滤波器。

采用无源滤波器：适用大型稳定的非线性负荷，或自然功率因数较低的单相非线性负荷以及主要为连续的3次的谐波源治理，宜采用并联，并在谐波处就地装设。

采用无源谐波器与有源滤波器混装：适用容量较大、3次以上谐波含量高、频谱特性复杂、负荷稳定、自然功率因数低的谐波源。

4.3 谐波补偿装置的容量估算

前面谈的都是的理论知识，在工程设计中，最终是要落实到具体计算和设备选型上，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或内部联接点对谐波的要求进行技术经济合理的选型。

采用无源谐波抑制，可以根据无功容量每千乏折算成电流后按0.2～0.3的系数折算成谐波抑制电流（如果非线性负荷较多，可取0.2）。举例：300kvar消谐式无功补偿电流为432A，按系数0.2折算抑制86.4A的谐波电流。

采用有源滤波装置，可以根据谐波电流的估算值作为设计选型依据。

设计举例：某公共建筑的变电所的变压器型号为SCB11-1000kVA，10/0.4Kv D,Yn11；Uk=6%，负载率K1=0.8，查表3取THDi=20%，根据谐波电流公式：

根据变压器容量来消谐式无功补偿设计，采用30%～40%的变压器容量的补偿量，即先选择300kvar的消谐式无功补偿，电流为433A，按系数0,2折算即抑制86.6A的谐波电流。但消谐式无功补偿不能完全抑制谐波，若仅仅选用消谐式无功补偿后，系统谐波还达不到治理要求时则需采用有源滤波器，考虑到消谐式无功补偿本身抵消的谐波电流，系统还存在的谐波电流：226.5－86.6=139.9A。根据需要再选用容量为100A～150A的三相有源滤波器。

4.4 消谐式补偿装置中串联电抗器电抗率的选取

在配置消谐式补偿装置时，串联电抗器选型很重要，它是根据电网条件、电容器参数经过相关计算分析确定，一般来说，基本原则是能够消除主要数的谐波，同时还要避免其他次数谐波引起的电压升高而超出电容器能够承受的范围。选择电抗器电抗率的常用方法：

(1)仅限制涌流时，选取在0.1%～1.0%之间的电抗器，根据回路的连接线长短来确定取上限值或下限值。

(2)当电网中的3次谐波含量较多且超标时，选用串联12%的电抗器。

(3)当电网中的5次谐波含量较多且超标时，选用串联4.5%～5.0%的电抗器。

(4)当电网中的3次、5次谐波同时存在，含量较多且超标时，选用12%和4.5%～5.0%的电抗器混和使用。采用两种电抗率的条件是电容器组数较多，其目的是节省投资和相对全部采取12%的电抗器能减少电抗器自身消耗的容性无功。

(5)当电网中3次、5次谐波含量都较小时，可不串联电抗器。

5 谐波治理设计体会

在同一变电站或单一配电系统中，原则上按上述推荐值或以上治理措施进行配置是没有问题的。但是，对于稍大或复杂的电网进行谐波控制时，要从技术经济上优化配置却是一个复杂的工程，需要根据当地的实际情况，采用计算机模拟计算，才能得到最佳配置。结合笔者参与的项目反馈和与一些专家交流的体会，理论选取治理谐波的装置参数（包括有源、无源滤波器，电抗器），在工程投产前或运行一段时间的过程中，均应跟踪谐波测试，通过测试数据来了解谐波运行状况，从而检测这些配置参数的效果作出评价，为进一步优化治理谐波提出改进措施，即是一个闭环反馈不断改进的动态过程。

总的来说，抑制谐波的关键是要分清谐波源的种类、估算出谐波电流，同时还要在实际电网运行中实时监测，选择有效方案。

[1]中国航空工业规划设计研究院组编．工业与民用配电设计手册．第三版[M]．北京:中国电力出版社,2005．10

[2]国家建筑标准设计图集．低压配电系统谐波抑制及处理11CD403[M]．北京:中国计划出版社,2011

[3]伍永畅．无功补偿及谐波滤波系统选型方案[J]．造纸科学与技术,2010,(05)．

[4]顾凯．电力系统谐波治理[J]．电气工程与自动化,2011(9)．

付明立（1982—），男，湖北武汉人，硕士，工程师，现供职于长江航运规划设计院，主要从事水运工程、建筑工程的供配电设计。