工厂配电系统谐波治理方案设计

[摘要]笔者分析了工厂配电系统谐波的特点，指出了谐波对工厂配电系统影响的严重性，提出了以工房为用户端分散安装谐波滤波器进行谐波治理的方案。针对工厂电网谐波的特点，讲述了以单相负载为主的无源滤波器的设计要点以及能防止外部谐波侵入的无源滤波器的设计方法。

[关键词]谐波治理 滤波器设计 无功补偿 一、设区谐波的特点

电力谐波是指基波的整数倍的高次波，即2、3、4、5……次谐波。各次谐波中，偶次谐波是由于信号正负半周的不对称所形成。而电网中电流正负半周的不对称的情况不常见，因此偶次谐波的含量很小。油田大多数谐波是由整流设备产生的，整流设备在电网中产生pn±1次谐波，p是一周内整流形成的直流波头数，n是自然数。工业上大功率设备一般使用三相整流电路，三相整流直流波头数是6，最低谐波次数是5次。三相整流设备一般不接电源中性线，零序电流走不通，也就没有3的倍数次谐波，所以工业谐波治理起来相对比较容易一些。但社区用户多是单相负载，如变频空调、电视机、计算机等。单相负载的整流电路直流波头数是2，最低谐波次数是 3次，3次谐波比其它高次谐波更接近于基波50hz治理起来难度要大。另外单相供电系统是有电源中性线的，所以采用整流电路后存在9次、15次等3的整数倍谐波电流，这些谐波都属于零序电流，零序电在电源中性线上不仅会相互抵消，还会造成比相线更大的有功损

耗。由于设区电源高压侧是中性点不接地的，3的倍数次谐波不能穿过变压器，只能将这些谐波能量全部消耗在变压器上，造成变压器绕组损耗和激磁损耗加大、温度升高，严重影响着变压器的使用寿命和运行安全。 二、谐波滤波器设计

无源型谐波滤波器是采用电容和电感串连电路构成。图1是滤波器的原理接线图。各回路电容器的容抗值与电抗器的感抗值是按设计频率下容抗值等于感抗值的条件确定。例如5次谐波回路的电容器在基波频率时的容抗值为x值x

l5l5 =4%x

5xc5

l5

c5 = x

l5

/5的条件可得x3次、5次、7次、

9次、11次滤波回路电抗值与容抗值的百分比，13次及以上的谐波系统含量较少用一组高通滤波回路吸收即可。由于负载的不确切性，不好确定具体的谐波含量，所以为简化设计在滤波器容量配置时各回路电容器按同一容量配置，这样在基波频率下所有电容器的相对容抗值都是1，图中各滤波支路电抗器的电抗百分数也是以这个容抗值为基础。电容器的额定电压可以按系统额定电压的120%选择，这里考虑了基波电流和谐波电流流过电抗器时产生的电压降会叠加在电容器上产生过电压，同时也意味着电容器长期允许电流是系统额定电压下电容器基波电流的1.2倍。

图1 谐波滤波器原理接线图滤波器在滤除谐波的同时也起着无功补偿作用，滤波器的每条支路只对所要滤除的谐波呈现阻性，对

于基波各支路都呈现容性。在设计电抗器电流时先要计算出每条滤波支路的基波电流和谐波电流。根据电容、电感的串连关系可以得出k次谐波滤波支路的基波电流为(1)式中u电压（例如：220伏），x

ck

n

k次滤波支路电容器的基波

容抗值，在电容器容量一样大的情况下，各滤波支路电容器的容抗值都等于x抗器时增大了k

c2/(k

2-1)倍，其中3次谐波滤波支路的基波

电流增大的最多为1.13倍。谐波电流是根据负载的谐波含量而定，在未知负载特性的情况下可以参考工业变频器的谐波特性，工业变频器一般前13次的谐波电流i

kk

的含量在10～30%。根据

谐波电流与基波电流的正交性，可以计算出k次谐波滤波支路的电流值为(2)此值大约是基波电流的1.2倍左右。这和前面所说电容器允许1.2倍长期过电流刚好相符合，所以各支路电抗器额定电流的选择只要等于电容器额定电流就可以。

为了防止电源侧的谐波电流倒送到滤波器中造成滤波器过载，在滤波器设计中还在电源侧增设了一个3%电抗器（这里的电抗基准值同前面一样是以一个支路的电容器电抗x

c

k

次滤波支路对k次谐波呈现阻抗几乎为零，所以整个滤波器对所有电源侧谐波都呈现感性，不会引起谐振。当滤波器电源侧k次谐波电压为u

k

u

k

/3%kx

c

simulink仿真证实该滤波器设计既可以较好的吸收内部

谐波，也可以较好的阻止外部谐波的侵入。

三、工厂谐波滤波器的配置

传统的谐波滤波器都是安装在企业电源变压器低压侧母线上，他的作用是阻止企业内部的谐波传送到外部电网对电力系统造成影响。对于工厂来说安装滤波器除了要防止内部谐波送到外部电网外，更主要目的是减少谐波以及无功电流在内部线路上的传输损耗。因此本文提出尽可更将滤波器靠近负载，一般可以安装于内部主干电缆的用户端，也就是安装在各主要工房的配电柜内。 另一种滤波器配置方式是，取消分散滤波器电源侧电抗器，在电源变压器低压出口串入一个总的3%电抗器，这个方案电抗器投资相对低一些，但滤波器总容量要一次性装够，否则可能会造成滤波器过负荷。 四、结论

工厂谐波治理要面向负载，要加强3次和9次谐波的滤波，确保中性线上的谐波电流降到最低。要在滤波器的电源侧独立加装3%电抗，这样能够防止电源侧谐波倒送造成滤波器过负荷。谐波滤波器的每一条支路对于基波来讲都是无功补偿器，在计算电抗器额定电流时不可以忽略这个电流。像无功补偿一样谐波滤波器越靠负载越近效果越好。社区系统三相谐波是不对称的，必要时应该进行分相滤波。只要做到这些就可以将供电系统传输损耗降到最低，同时也不会引起系统谐振，使谐波滤波器过载。 参考文献：

［1］许克明,徐云，等.电力系统高次谐波[m].重庆：重庆大学

出版社，1991.

［2］吕润馀．电力系统高次谐波[m]．北京：中国电力出版社，1998.

［3］瓦基勒 (wakileh george j)著，徐政译. 电力系统谐波:基本原理分析方法和滤波器设计.机械工业出版社，2003. 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文