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帶中性線低壓供電系統(tǒng)的三次諧波及濾波 芬蘭諾基亞電容器有限公司中國(guó)代表處廖淅塤 摘要三次諧波污染主要存在于低壓配電網(wǎng)中，以建筑系統(tǒng)最為嚴(yán)重。其對(duì)電網(wǎng)的危害主要有：功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、電網(wǎng)過(guò)熱等；對(duì)配電站會(huì)造成電子器件誤動(dòng)作、電容器損壞、附加磁場(chǎng)、中性線過(guò)載和電纜著火。文章主要介紹了消除三次諧波的各種方法及性能比較。 關(guān)鍵詞三次諧波濾波濾波器 １三次諧波源 輸電及配電系統(tǒng)規(guī)定：在頻率恒定情況下，電壓和電流均以正弦波波形運(yùn)行。然而在非線性負(fù)荷接入系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)生的附加的諧波電流會(huì)引起電流和電壓畸變。產(chǎn)生三次諧波的非線性單相負(fù)荷主要有（不考慮暫態(tài)及非正常工作狀態(tài)）： （１）熒光燈、節(jié)能燈及其鎮(zhèn)流器； ①市場(chǎng)調(diào)查表明，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)絕大多數(shù)的熒光燈電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量高達(dá)８０％～９０％； ②高檔的電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量分三種標(biāo)準(zhǔn)：Ｌ標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量＜３７％；Ｈ標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量＜３０％；帶燈絲預(yù)熱控制的 電子鎮(zhèn)流器其諧波電流含量＜１０％。市場(chǎng)上的商品實(shí)際上達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求； ③節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ＴＨＤＩ＜２０％，其中三次諧波電流含量占主要成分。 （２）電弧焊接設(shè)備（電弧的非線性類負(fù)荷）； （３）計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)型電源及顯示器（大型顯示屏幕）； （４）彩色電視機(jī)及監(jiān)視器，如證券公司、體育場(chǎng)館、商業(yè)中心和新聞中心的電視墻的顯示幕墻。普通型彩色電視機(jī)ＴＨＤＩ可達(dá)１２７％，三次諧波電流含量高達(dá)９０％； （５）晶閘管調(diào)壓電源（如加熱器、調(diào)光器、電化學(xué)電源等）； （６）晶閘管調(diào)功電源（如加熱器、電化學(xué)電源等）； （７）整流電源（如電器的工作電源、充電器、直流傳動(dòng)及電化學(xué)電源等）； （８）開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓電源及ＵＰＳ； （９）變頻器（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ及ＡＣ－ＡＣ型）。 ①變頻的家用電器，如空調(diào)、洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、微波爐； ②工業(yè)及建筑用的調(diào)速電動(dòng)機(jī)； ③中頻電源。 ２三次諧波的影響 各次諧波在電路中的作用是不相同的，諧波的疊加與相序有關(guān)。同一電路中的某些諧波相互作用時(shí)，會(huì)相互減弱或相互抵消。但在更多的場(chǎng)合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。只有３次諧波出現(xiàn)時(shí)，波形才如圖１所示（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）； 相線與中性線之間的非線性負(fù)荷產(chǎn)生三次諧波電流，并在中性線進(jìn)行疊加。由于三次諧波及其倍數(shù)次諧波呈零序特征，因此中性線上的三次諧波電流是三相中三次諧波電流的代數(shù)和，會(huì)引起過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)使所有的諧波電流造成電流和電壓畸變，還形成１５０Ｈｚ的電磁場(chǎng)，對(duì)其周圍的電子控制、保護(hù)及通信設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要表現(xiàn)為： （１）因?yàn)槿沃C波的零序性，低壓母線上的三次諧波電壓主要與中性線的三次諧波電流有關(guān)； ①當(dāng)變壓器接法為Ｙ－Ｙｎ０時(shí)，零序性的三次諧波電流將成為勵(lì)磁電流，在此零序勵(lì)磁電抗上產(chǎn)生較大的壓降，即三次諧波電壓，很容易造成低壓母線上的電壓總畸變率超標(biāo)； ②當(dāng)變壓器接法為△－Ｙｎ０時(shí)，１０ｋＶ側(cè)的變壓器繞組形成三次諧波電流流通的回路，該回路阻抗為變壓器漏抗，遠(yuǎn)較零序勵(lì)磁阻抗?。煘椋玻氨蹲笥遥?，從而不會(huì)在低壓母線產(chǎn)生很大的三次諧波電壓，見(jiàn)圖２（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）； （２）如果低壓三相的三次諧波電流不平衡，則存在正序和負(fù)序的三次諧波分量： ①如果配電變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流會(huì)在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出三次諧波電壓，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響； ②如果配電變壓器為△－Ｙｎ１１接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出的三次諧波電流在△繞組形成環(huán)流，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生的三次諧波影響要比變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線時(shí)小，但增加了變壓器高壓繞組的損耗。 （３）由于中性線中三相負(fù)荷不平衡引起的工頻電流和三次諧波電流的疊加有可能大于相電流，當(dāng)三相的三次諧波平衡時(shí)，由于Ｙ－Ｙｎ０接線的變壓器鐵芯中零序的三次諧波無(wú)通路，磁通只能經(jīng)鐵心、空氣和外殼等構(gòu)成回路，產(chǎn)生附加損耗和局部過(guò)熱；而在Ｙ－Ｙｎ１１接線中，△繞組為三次諧波電流提供通路，它所產(chǎn)生的三次諧波磁通將抵消鐵芯中的原三次諧波磁通，從而使鐵心中的合成磁通基本上呈正弦波，減少了附加損耗，但諧波電流的存在使Ｋ因子因諧波發(fā)熱而降低變壓器輸送能力，正常值為１．０和電流波峰系數(shù)增大，造成供電變壓器的利用率下降或過(guò)載； （４）由于中性線中電流過(guò)大，使配電系統(tǒng)中性線的電纜、導(dǎo)線出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷引起絕緣老化加速，增加了火災(zāi)隱患。主要原因有： ①國(guó)內(nèi)普遍選取中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％； ②已運(yùn)行的許多按老標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的３３％； ③已運(yùn)行的許多按新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％； ④中性線與相線導(dǎo)體選取相同截面積，無(wú)論工程設(shè)計(jì)、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。 （５）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中其他設(shè)備和材料的損耗，引起附加發(fā)熱、加速絕緣老化、減少使用壽命； （６）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中設(shè)備和材料的振動(dòng)和噪音； （７）由于電流和電壓畸變，使無(wú)功補(bǔ)償電容器組由于并聯(lián)諧振而損壞，電動(dòng)機(jī)等繞組類設(shè)備絕緣擊穿而損壞； （８）電流和電壓畸變及１５０Ｈｚ電磁場(chǎng)：引起測(cè)量精確度異常，對(duì)控制所需要的同步信號(hào)的捕捉與鎖相條件惡化、干擾增加，從而使電子控制、測(cè)量、保護(hù)及通信設(shè)備運(yùn)行不正常； （９）對(duì)用ＵＰＳ供電的廣播電視節(jié)目錄制及播放系統(tǒng)產(chǎn)生附加背景噪聲，并損壞ＵＰＳ設(shè)備； （１０）使照明光源閃爍而損壞；圖像顯示設(shè)備頻閃，顯示失真； （１１）三次諧波電流對(duì)其他設(shè)備和器材的負(fù)面影響要大于其對(duì)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波源的影響。 ３三次諧波濾波 濾波器與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法尤其適用于非線性負(fù)荷的供電點(diǎn)集中、又與線性負(fù)荷共由一個(gè)變壓器供電的情況。如果三次諧波電流引起的三次諧波電壓畸變及變壓器過(guò)載是主要問(wèn)題建議在主電源配電柜裝設(shè)濾波器。 目前，工程中對(duì)帶中性線低壓供電系統(tǒng)降低三次諧波的方式主要有４種： （１）被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器（可以廣泛使用）； （２）被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器（由于使低壓母線上的諧波電壓升高，不但不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾，反而增大了對(duì)線性負(fù)荷的干擾；由于增加了中性線的阻抗，引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)靈敏度下降）； （３）帶中性線的有源濾波器； ①并聯(lián)型（可以推廣使用）； ②串聯(lián)型（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）； ③并聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（可以推廣使用）； ④串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）； ⑤串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器串聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）。 （４）雙Ｚ接線的變壓器 利用變壓器原、付邊繞組的曲折接線來(lái)消除電源側(cè)諧波對(duì)負(fù)荷的影響和負(fù)荷側(cè)諧波對(duì)電源側(cè)的影響，具有消除諧波的功能。既可以作為供電變壓器也可以作為隔離變壓器，適用于三相式負(fù)荷： ①對(duì)單獨(dú)的非線性負(fù)荷單獨(dú)裝設(shè)； ②對(duì)集中的非線性負(fù)荷裝設(shè)（不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾）。 ３．１被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器 ３．１．１濾波器的構(gòu)成。如圖３所示（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）。 濾波器由電容器串聯(lián)電抗器構(gòu)成，諧波濾波器產(chǎn)生基波無(wú)功功率，以達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)。電抗器的電感值選擇使其對(duì)三次諧波形成很低阻抗的串聯(lián)諧振大部分的諧波電流可被濾除。 諧波濾波器通常根據(jù)具體項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)元件組合而成，這樣可以保障以合理的投資獲得最佳的無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波濾波效果。 ３．１．２濾波器與供電系統(tǒng)的連接 濾波器一次回路與主配電母線或分配電母線經(jīng)帶斷路器或熔斷器的饋線相并聯(lián)。如圖４所示（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）。 ３．１．３濾波器的控制方式。見(jiàn)圖５（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）。 （１）與常見(jiàn)的補(bǔ)償電容器組一樣，它可以由一臺(tái)功率因數(shù)調(diào)整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除； （２）可以根據(jù)中性線中的電流，由外部的電流繼電器控制其投入和切除； （３）濾波器與負(fù)荷控制同步。 ３．１．４濾波器的保護(hù)方式 （１）利用濾波器進(jìn)線前的帶復(fù)式脫扣功能的斷流器； （２）利用濾波器進(jìn)線前的熔斷器； （３）濾波器柜內(nèi)的過(guò)電壓、過(guò)負(fù)荷繼電保護(hù)； （４）低壓金屬化全膜電容器的內(nèi)附熔絲保護(hù)。 ３．１．５確定濾波器所需要的數(shù)據(jù) （１）中性線或相線中的三次諧波電流； （２）濾波器接入點(diǎn)的電壓畸變（相對(duì)中性線）； （３）需要的無(wú)功補(bǔ)償功率； （４）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）； （５）安裝地點(diǎn)（主配電柜或分配電柜）。 ３．２被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器 ３．２．１濾波器的構(gòu)成 濾波器由電容器并聯(lián)電抗器構(gòu)成，然后串聯(lián)在供電系統(tǒng)的中性線上。如圖６所示（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）。 電容器電容與電抗器電感值的選擇： （１）對(duì)５０Ｈｚ工頻形成很低阻抗的串聯(lián)諧振，以利于三相不平衡負(fù)荷引起的負(fù)序工頻電流在中性線和串接的濾波器中無(wú)障礙流通； （２）對(duì)１５０Ｈｚ三次諧波形成很高阻抗的串聯(lián)諧振，以阻礙單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電流源性質(zhì)的三次諧波電流在中性線上流通，其結(jié)果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。 ３．２．２濾波器與供電系統(tǒng)的連接 濾波器一次回路與配電系統(tǒng)的中性線相串連。 ３．２．３濾波器的控制方式 通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)和旁路接觸器手動(dòng)投入或切除。 ３．２．４濾波器的保護(hù)方式 利用綜合的檢測(cè)與保護(hù)通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)以實(shí)現(xiàn)下列要求： （１）防止不平衡工頻電流在濾波器兩端引起的過(guò)電壓； （２）防止三次諧波電流過(guò)載； （３）供電系統(tǒng)內(nèi)部故障； （４）濾波器故障。 ３．２．５確定濾波器所需要的數(shù)據(jù) （１）中性線或相線中的三次諧波電流； （２）中性線中的最大工頻電流； （３）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）； （４）配電系統(tǒng)的接線方式； （５）安裝位置的環(huán)境要求。 ３．３三相四線式的并聯(lián)型有源濾波器。見(jiàn)圖７（忽略，詳見(jiàn)本期雜志）。 并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流及濾波器與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓畸變。經(jīng)ＤＳＰ產(chǎn)生的控制信號(hào)控制ＩＧＢＴ高速開(kāi)關(guān)器件，既將儲(chǔ)能的直流電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)換成一系列的方波再經(jīng)過(guò)輸出電抗器輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補(bǔ)償諧波的作用，同時(shí)又控制直流電容器上的充電電壓。其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。 每一種并聯(lián)型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇，帶中性線的設(shè)備必須使用三相四線式，且用戶應(yīng)注意中性線上的電流是１倍、２倍還是３倍的相線電流。 ４．目前適用的三次諧波濾波方式的對(duì)比 ４．１被動(dòng)式并聯(lián)型三次濾波器 4.1.1特點(diǎn) （１）可以補(bǔ)償無(wú)功功率（功率因數(shù)），同時(shí)可以濾波； （２）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響； （３）只需考慮無(wú)功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠； （４）可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷、變壓器總供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置靈活多樣； （５）控制方式靈活多樣，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性； （６）濾波器元件的運(yùn)行參數(shù)范圍明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式成熟、可靠、簡(jiǎn)單，不影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行； （７）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。 ４．１．２適用范圍 帶中性線的低壓供電系統(tǒng)的三次諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償 ４．２被動(dòng)式串聯(lián)型三次濾波器 ４．２．１特點(diǎn) （１）可以對(duì)諧波電流進(jìn)行濾波； （２）可以降低諧波電流，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響理。論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均證明串聯(lián)型濾波器增大了低壓母線上的諧波電壓，因此增大了非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾。同時(shí)由于諧波電流的阻斷和諧波電壓的升高，對(duì)于絕大多數(shù)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波電流源性質(zhì)的非線性負(fù)荷，會(huì)影響其正常工作； （３）不但要考慮諧波、濾波，還要考慮中性線上的不平衡工頻電流受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，由于增加了中性線的阻抗引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)裝置的靈敏度下降，中性線的安全直接涉及到供電系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，但運(yùn)行安全可靠性低，屬于被動(dòng)式三次諧波濾波器初始的方案； （４）可以對(duì)集中的非線性負(fù)荷、變壓器總的供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置不靈活； （５）控制方式不靈活，投切影響供電系統(tǒng)的安全性； （６）濾波器元件的運(yùn)行參數(shù)范圍由于并聯(lián)振蕩不明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式可靠性差，影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行； （７）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。 ４．２．２適用范圍 理論和測(cè)試數(shù)據(jù)充分證明了其安全可靠性和負(fù)面影響，在工程中慎重考慮其大量使用。 ４．３三相四線式并聯(lián)型有源濾波器（三相三線式不可使用） ４．３．１特點(diǎn) （１）自適應(yīng)濾波，同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率（功率因數(shù)）； （２）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響； （３）只需考慮無(wú)功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)參數(shù)的影響，運(yùn)行安全可靠； （４）可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷、變壓器總供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置靈活多樣； （５）控制方式自適應(yīng)，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性； （６）內(nèi)部保護(hù)安全可靠，不因諧波過(guò)載而退出運(yùn)行、擴(kuò)展容易； （７）可以和被動(dòng)式濾波器配合使用。 ４．３．２適用范圍 對(duì)補(bǔ)償效果要求非常高，而負(fù)荷產(chǎn)生的諧波無(wú)論是頻率、幅值還是相位均有較大的隨機(jī)性； 低壓供電系統(tǒng)的三次及其他特征、非特征、間諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償。與被動(dòng)式濾波器的配合使用能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，達(dá)到補(bǔ)償效果和經(jīng)濟(jì)性的完美結(jié)合。 ５結(jié)論 根據(jù)對(duì)以上處理三次諧波問(wèn)題的各種方法分析比較，結(jié)論如下： （１）使用并聯(lián)型三次諧波濾波器可有效降低三次諧波電流，同時(shí)降低三次諧波電壓； （２）使用串聯(lián)型三次諧波濾波器雖可降低中性線三次諧波電流，但卻增大了三次諧波電壓； （３）使用三相四線式的并聯(lián)型有源濾波器可有效濾除中性線的三次諧波電流，降低三次諧波電壓； （４）使用三相三線式的并聯(lián)型有源濾波器根本無(wú)法濾除中性線的諧波電流，不可使用； （５）使用改變變壓器繞組接法只能降低高壓側(cè)的三次諧波，但要求三相負(fù)荷必須完全相同，條件高、較難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)諧波電流流經(jīng)變壓器，增加了變壓器的負(fù)擔(dān)，加大了變壓器的損耗，即使各種條件符合，在低壓側(cè)仍然存在大量的三次諧波電流，危害依然存在。 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