论文部分内容阅读
摘 要 现在的工业和商业电力系统中存在着大量的非线性负载，导致运行中产生大量的高次谐波，文章针对电网中的谐波源分布情况，通过判断谐波功率方向的方法来检查和测量公用电网的谐波，从而确定谐波源。
关键词 电能质量；谐波源；谐波功率
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0093-02
公用电网受到谐波污染，对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾；而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。
1 谐波功率方向的分析
1.1 谐波的测量
测量时需要在公共连接点上测量用户满负荷最大地注入谐波电流，同时断开接入系统的电容器，监测输电线路中谐波功率的流向，前期工作如下。
1）确定公共连接点，通常选取评估用户接入公共电网的母线。收集和掌握本级和上一级供电网络的结构和数据参数以及运行方式。
2）用户需提供用电设备或电源的有关参数、接线方式及谐波特性。
3）对于评估谐波源对应的供电区域内电网可能出现的谐波放大进行分析评估。
电能质量对数据进行统计分析时用可到在一定统计时间间隔内最大值、最小值、平均值、95%概率大值。
谐波的评估时间段一般至少为24 h，三相综合值的最大值不得超过其限值的1.5-2倍；三相综合值的95%概率大值中最大的一相值不得超过其限值。
1.2 流向监视的原理
图1谐波产生电路中，发电机输出正弦电压源uG，阻抗zG，对线性负载z1和非线性负载z2供电，由于非线性负载z2产生非正弦的电流畸变引起u电压降，从而引起线性负载z1电流和电压的畸变。
图1 谐波产生电路
由此可得出：非线性负载z2为谐波源发出谐波功率，谐波功率为负，而线性负载z1为非谐波源，吸收谐波功率，这是比较传统的谐波源定位方法之一。
谐波功率和流向：
在电网中，如果电压与电流都含有高次谐波，那么，采用IEC61000-4-7的频谱分析方法，傅里叶级数法可以得出具有相同频率谐波电压电流的幅值以及角度，为谐波功率计算做出
准备。
在系统中，若将系统侧到用户侧定义为正方向，则公共连接点（PCC）的有功功率为：
Ph= Uh*Ih*COSΦh
式中，Ph：h次谐波的有功功率；Uh：h次谐波电压；
Ih：h次谐波电流；Φh：h次谐波电压、电流相差。
由上式可得：
1）当Ph>0时，系统侧主要发出谐波功率，而用户侧吸收谐波功率，可初步认为系统侧为主要谐波源。
2）当Ph<0时，系统侧主要吸收谐波功率，而用户侧发出谐波功率，可初步认为用户侧为主要谐波源。
因此，可通过对电能质量测量仪采样计算的谐波功率方向来初步判定谐波源的位置。
2 电网谐波源的连续监测
对于母线上并联多个负荷，为了查清供电系统和各大电力客户设备运行时各次谐波功率的方向和大小，可使用电能质量测试仪对负荷进行连续监测，比较各个功率与流向，再结合系统进行分析，从而找到主要谐波源。
图2 谐波源的查找
如图2所示，35 kV母线对两个变电站供电，变电站1为线性负荷A、B，负荷A由于补偿无功功率接入较多的电容器；变电站2有非线性负荷C。非线性负荷C产生谐波电流流向35 kV母线，引起母线电压畸变，但没有超出规定值。由于35 kV母线电压畸变影响到变电站1，同时变电站1的电容器与变压器电感发生谐振，放大1#变电站10 kV侧电压畸变，引起负荷B出现问题。若只是简单测量谐波大小，很容易错误确认线性负荷A为谐波源。
若采用电能质量分析仪去分析有功功率的流向，就能迅速判断出A不是发出谐波功率而是吸收谐波功率，继续查找可以找出其谐波源为非线性负荷C。
3 谐波测量选择PCC点注意事项
国家标准中谐波限值主要是用于供电系统和多个客户的公共连接点，也就是多个客户可以被系统同时供电的地方。选PCC位于主变压器一次侧或二次侧，主要取决于变压器是否向多个客户供电，图3中提供了两种可能：图a PCC在低压侧、图b PCC在高压侧。
对大多数客户术说，PCC点选在降压变压器的高压侧，但是在变压器的低压侧实施测量将会更方便，因为低压侧测量的数据用来评估谐波电流是足够的，但是用来评估一次侧上的谐波电压及畸变特征就比较困难。在变压器二次侧测量到的谐波电流可以折算到一次侧谐波电流，但要考虑变压器接线方式对零序谐波分量的影响。
图3 PCC点的选择
变压器接线方式会影响零序谐波电流的大小。如果谐波电流只是由正序和负序电流分量构成（主要是三相负载），那么变压器的接线方式就只会影响谐波电流的相角。而一旦设备为单相负载，那么单相负载就会产生三次谐波，这时就必须考虑变压器接线方式的影响，Dy接线的变压器因在一次侧△回路中产生环流而阻止零序分量，这样就不会流二次侧系统内，而YNyn接线会通过变压器进入一次侧的系统。因此正确选择PCC点，是保证能否正确评估的基础。
4 结束语
电力部门与用户对电能质量越来越重视，出现不少查找谐波源的方法，但由于系统的复杂性，这些方法在实际应用中都存在一定的局限性，需要进一步讨论研究。随着谐波电路理论和谐波功率理论进一步研究，同时对现场运行数据的积累与提取，将有利于谐波源的查找。
参考文献
[1]粟时平，刘桂英.现代电能质量检测技术[M].中国电力出版社，2008：300-185.
[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2005：625-680.
[3]张庆河.电网谐波源的检测与定位[J].山东电力技术，2005（5）：71-73.
[4]田立亭，程林，孙元章，等.用户侧谐波源对PCC谐波水平的影响与区分[J].继电器，2007（21）：59-63.
作者简介
刘向东（1984-），助理工程师，从事电力系统自动化产品的技术支持工作。
杨嘉伟（1984-），高级工，助理工程师，从事配电线路运行维护工作。
关键词 电能质量；谐波源；谐波功率
中图分类号：TM712 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0093-02
公用电网受到谐波污染，对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾；而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。
1 谐波功率方向的分析
1.1 谐波的测量
测量时需要在公共连接点上测量用户满负荷最大地注入谐波电流，同时断开接入系统的电容器，监测输电线路中谐波功率的流向，前期工作如下。
1）确定公共连接点，通常选取评估用户接入公共电网的母线。收集和掌握本级和上一级供电网络的结构和数据参数以及运行方式。
2）用户需提供用电设备或电源的有关参数、接线方式及谐波特性。
3）对于评估谐波源对应的供电区域内电网可能出现的谐波放大进行分析评估。
电能质量对数据进行统计分析时用可到在一定统计时间间隔内最大值、最小值、平均值、95%概率大值。
谐波的评估时间段一般至少为24 h，三相综合值的最大值不得超过其限值的1.5-2倍；三相综合值的95%概率大值中最大的一相值不得超过其限值。
1.2 流向监视的原理
图1谐波产生电路中，发电机输出正弦电压源uG，阻抗zG，对线性负载z1和非线性负载z2供电，由于非线性负载z2产生非正弦的电流畸变引起u电压降，从而引起线性负载z1电流和电压的畸变。
图1 谐波产生电路
由此可得出：非线性负载z2为谐波源发出谐波功率，谐波功率为负，而线性负载z1为非谐波源，吸收谐波功率，这是比较传统的谐波源定位方法之一。
谐波功率和流向：
在电网中，如果电压与电流都含有高次谐波，那么，采用IEC61000-4-7的频谱分析方法，傅里叶级数法可以得出具有相同频率谐波电压电流的幅值以及角度，为谐波功率计算做出
准备。
在系统中，若将系统侧到用户侧定义为正方向，则公共连接点（PCC）的有功功率为：
Ph= Uh*Ih*COSΦh
式中，Ph：h次谐波的有功功率；Uh：h次谐波电压；
Ih：h次谐波电流；Φh：h次谐波电压、电流相差。
由上式可得：
1）当Ph>0时，系统侧主要发出谐波功率，而用户侧吸收谐波功率，可初步认为系统侧为主要谐波源。
2）当Ph<0时，系统侧主要吸收谐波功率，而用户侧发出谐波功率，可初步认为用户侧为主要谐波源。
因此，可通过对电能质量测量仪采样计算的谐波功率方向来初步判定谐波源的位置。
2 电网谐波源的连续监测
对于母线上并联多个负荷，为了查清供电系统和各大电力客户设备运行时各次谐波功率的方向和大小，可使用电能质量测试仪对负荷进行连续监测，比较各个功率与流向，再结合系统进行分析，从而找到主要谐波源。
图2 谐波源的查找
如图2所示，35 kV母线对两个变电站供电，变电站1为线性负荷A、B，负荷A由于补偿无功功率接入较多的电容器；变电站2有非线性负荷C。非线性负荷C产生谐波电流流向35 kV母线，引起母线电压畸变，但没有超出规定值。由于35 kV母线电压畸变影响到变电站1，同时变电站1的电容器与变压器电感发生谐振，放大1#变电站10 kV侧电压畸变，引起负荷B出现问题。若只是简单测量谐波大小，很容易错误确认线性负荷A为谐波源。
若采用电能质量分析仪去分析有功功率的流向，就能迅速判断出A不是发出谐波功率而是吸收谐波功率，继续查找可以找出其谐波源为非线性负荷C。
3 谐波测量选择PCC点注意事项
国家标准中谐波限值主要是用于供电系统和多个客户的公共连接点，也就是多个客户可以被系统同时供电的地方。选PCC位于主变压器一次侧或二次侧，主要取决于变压器是否向多个客户供电，图3中提供了两种可能：图a PCC在低压侧、图b PCC在高压侧。
对大多数客户术说，PCC点选在降压变压器的高压侧，但是在变压器的低压侧实施测量将会更方便，因为低压侧测量的数据用来评估谐波电流是足够的，但是用来评估一次侧上的谐波电压及畸变特征就比较困难。在变压器二次侧测量到的谐波电流可以折算到一次侧谐波电流，但要考虑变压器接线方式对零序谐波分量的影响。
图3 PCC点的选择
变压器接线方式会影响零序谐波电流的大小。如果谐波电流只是由正序和负序电流分量构成（主要是三相负载），那么变压器的接线方式就只会影响谐波电流的相角。而一旦设备为单相负载，那么单相负载就会产生三次谐波，这时就必须考虑变压器接线方式的影响，Dy接线的变压器因在一次侧△回路中产生环流而阻止零序分量，这样就不会流二次侧系统内，而YNyn接线会通过变压器进入一次侧的系统。因此正确选择PCC点，是保证能否正确评估的基础。
4 结束语
电力部门与用户对电能质量越来越重视，出现不少查找谐波源的方法，但由于系统的复杂性，这些方法在实际应用中都存在一定的局限性，需要进一步讨论研究。随着谐波电路理论和谐波功率理论进一步研究，同时对现场运行数据的积累与提取，将有利于谐波源的查找。
参考文献
[1]粟时平，刘桂英.现代电能质量检测技术[M].中国电力出版社，2008：300-185.
[2]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京：中国电力出版社，2005：625-680.
[3]张庆河.电网谐波源的检测与定位[J].山东电力技术，2005（5）：71-73.
[4]田立亭，程林，孙元章，等.用户侧谐波源对PCC谐波水平的影响与区分[J].继电器，2007（21）：59-63.
作者简介
刘向东（1984-），助理工程师，从事电力系统自动化产品的技术支持工作。
杨嘉伟（1984-），高级工，助理工程师，从事配电线路运行维护工作。