电网谐波识别与处理

彭灿

摘要：随着国民经济的快速发展以及电力市场的逐步形成，电能质量问题在许多国家己经引起了电力部门和用户的广泛关注。谐波问题是电能质量问题的一个重要方面。一方面，我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长，电力电子器件的广泛应用以及非线性和冲击性负荷的大量接入使得电网被注入大量的谐波分量，导致电网电压及电流波形产生了严重的畸变；另一方面，现代社会快速发展，高度自动化和智能化的工业用电设备对供电质量的要求也越来越高。

关键词：电网谐波；识别；处理；

谐波还会对电力系统外部周围的电子设备和通信设备产生严重干扰。因此，不管是保证电力设备的安全，还是保证电力系统安全且经济的运行，都迫切需要我们对电力系统中的谐波进行监测，并对其造成的电能质量问题进行分析和治理。

一、电网谐振的识别

1.谐振的形式和特征。（1）基波形式。三相电压的变化情况：一相电压上升并超过线电压，并伴有接地信号出现，其余两相电压降低；一相对地电压降低，其余两相对地电压上升并超过线电压。开口三角电压大于100V。（2）高次谐波形式。三相电压均同时上升，且上升值超过线电压，但通常超出值在3-3.5倍相电压。开口三角电压大于100V。（3）分频形式。三相电压轮流上升，同一范畴里的电压表指针有低频摆动现象，通常在2倍相电压以内。开口三角电压通常低于85～95V，也有不低于100V的。（4）串联形式。线电压升高，表计摆动。开口三角电压大于100v。

2.电网谐振产生的原因。（1）铁磁谐振（多发生在中性点绝缘的电网）产生原因。①受断路器非同期合闸或线路接地等因素影响造成的系统冲击；②受雷击、开关操作等影响出现系统扰动或切、合空母线导致谐振出现；③系统处于特殊运行状态，各项参数匹配满足谐振条件。（2）串联谐振产生原因。在110KV变电站或220kV变电站空载母线上将带有电磁式电压互感器的空母线切除，或使用带断口的均压电容主（或母联）开关对带电磁式电压互感器的空母线进行充电，操作暂态使得空母线上连接的电磁式电压互感器组的一相、两相或三相激发，进而形成串联谐振。

3.谐振过电压造成的主要影响。（1）中性点不接地系统中，放电将导致电网绝缘相对薄弱的设施击穿，受过电压影响，很容易导致第二点接地出现相间短路，进而损坏设备，造成停电。（2）在发生谐振时，电压互感器高压熔丝熔断或电压互感器烧损。（3）导致容量较小的异步电机出现反转情况。（4）导致虚幻接地及错误接地指示出现。

二、谐波源的产生

对于早期电网中电力传输线路含谐波量较低的情况，基本未考虑谐波的负面影响，但是随着经济的发展，现代电网中谐波的含量已不能忽略不计。电力系统中主要有三个方面产生谐波：一是供电电源产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。这些非线性设备使得供电电压为非正弦波，或者即使供电电压为正弦波，这些非线性设备能使电流产生非正弦畸变，进而引起电压的畸变。下面从上述三方面详细分析电网中几种常见的谐波源。电机的电势在理想情况下应该是不含高次谐波的，波形为纯正弦。但在实际电机中，由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，这就导致磁极、绕组不平衡，使得磁极磁场并未完全按照正弦规律分布。因此感应电势也含有少量的谐波分量，并不完全是理想的正弦波。这种谐波电动势的幅值和频率基本与外接负载无关，而只与发电机自身的结构和工作状况有关，因此可视为谐波电压源。对于输配电系统，电力变压器是产生谐波的主要设备。由于变压器中的激磁支路为非线性，那么对变压器施加的电压越高，铁芯越接近饱和，畸变程度就越高。当变压器轻载运行时，变压器电压升高，铁芯的饱和度加大，出现奇次谐波。奇次谐波含量的高低主要取决于磁路结构以及铁芯饱和度。铁心越饱和，变压器的正常工作点就越远离线性区域，产生的谐波电流就越大，其中3次谐波电流甚至可达到额定电流的1%。此外，变压器在所带负荷发生剧烈波动、合闸投入运行及其他非常态运行时也会产生大量的谐波。用电设备中，则主要是接入电网的各种非线性负荷产生谐波。这些非线性负载主要包括各种以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备以及各种非线性整流设备。电弧设备主要包括炼钢电弧炉、交流弧焊机、气体放电灯等。电弧炉工作时，电极反复开路和短路，电弧稳定性差，此时不仅大量的无功被消耗，还会产生大量的谐波。

三、预防措施

1.技术手段方面。（1）加装消谐装置；（2）加装消谐型零序电压互感器；（3）采用抗饱和度高的电压互感器；（4）全面开展谐振理论计算；（5）由于扩建或新建的非线性用电设施和电网相接，将改变或增加电网谐波值和谐波的分布，尤其是电网连接点的谐波电压和电流会上升，因此必须将谐波电流控制在允许范围后才能接进电网运行；（6）强化测量并分析电网谐波，一旦出现电网电压谐波畸变情况异常，就立即查明谐波源，同时与非线性用电设施所属单位配合，采取相应措施控制注入电网里的谐波电流。

2.操作手段方面。（1）空母线送电时，宜先送接地变及消弧线圈；（2）为避免发生虚幻接地，可采取母线带上线路充电。

四、谐振处理

1.谐振处理的一般原则。（1）当发生谐振、谐波放大等现象时，应立即观测故障母线的单相电压变化情况，查看是否出现接地或谐振的情况。如果有谐振情况，那么应立即将某些设施的开关断开或合上，改变系统电容参数或电感，使谐振条件不再满足标准，进而达到消除谐振的目的。（2）在发生谐振时，禁止用刀闸拉开接地支路、站用变压器、电压互感器及避雷器等；只允许遥控开关，不得现场操作，确保人身安全。（3）对于接有小水电的线路，不宜采用短时停电的方法选择接地线路，须由值班调度员通知小水电解列后，方可进行接地选择。（4）对县调属地化管理的10kV及35kV线路，当县调调控人员采用拉路、投切线路仍不能消除谐振时，紧急情况下县调调控人员可根据情况断开地调管辖的母联开关，主变中、低压侧开关（已将主变中低压遥控权限开放县调），但操作后应及时给地调汇报。（5）若谐振是因合上开关造成的，则操作人员应迅速断开开关，不需等待值班调度员的指令；若谐振是因断开开关造成的，则操作人员应及时将情况告知值班调度员，根据值班调度员指令进行处理。（6）谐振发生后，监控人员应加强谐振监视，按相关处理原则开展谐振消除工作；谐振处理结束后，监控人员应采用人工启动PDR的方式保存谐振过程，便于事后分析。（7）各变电站现场运行规程应包括处理谐振的有关内容，一旦出现谐振就应及时按照规定处理。

2.谐振消除具体处理步骤。（1）投退电容器（消除基波或高频谐振）。（2）投切长线路。（3）如果变电站主变不止一台，就应结合实际运行情况把原本并列运行或分列运行的变压器改变为分列运行或并列运行。（4）如果上述方法仍不能消除谐振，就需通过查找线路单相接地来实施选线，找出有故障的线路后及时切除；若有接地选线装置，则应优先断开接地故障线路，否则可按下列原则选线：①试停、充电空载线路；②将电网分成几个互不相连的部分；③试停线路较长、分支多且以往接地故障较多的线路；④试停其它线路（对重要用户应先通知，有备用电源的在时间允许时应先倒换电源）；⑤有保电任务的线路，经上级同意后方可试停。（5）若所有线路全部切除后仍无法消除谐波，则应切除主变中压或低压电源开关，将母线停电以消除谐振。

为了有效的监控电网的谐波并对其进行抑制和治理，需要研究一种精确、快速的谐波源识别方法对系统中的谐波源进行分析，了解整个电网的谐波分布情况，同时确定各谐波源注入供电点的谐波电流大小。

参考文献：

[1]吴海英.电力系统谐波建模和谐波状态估计的研究.2016.

[2]王浩宇，浅谈电网谐波识别与处理.2016.