低压配电网中消除三次谐波的各种方法及性能比较

三次谐波污染主要存在于低压配电网中，以建筑系统最为严重。其对电网的危害主要有：功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、电网过热等;对配电站会造成电子器件误动作、电容器损坏、附加磁场、中性线过载和电缆着火。文章主要介绍了消除三次谐波的各种方法及性能比较。

　　1 三次谐波源

　　输电及配电系统规定：在频率恒定情况下，电压和电流均以正弦波波形运行。然而在非线性负荷接入系统时，产生的附加的谐波电流会引起电流和电压畸变。产生三次谐波的非线性单相负荷主要有(不考虑暂态及非正常工作状态)：

　　(1)荧光灯、节能灯及其镇流器;

　　①市场调查表明，目前国内市场绝大多数的荧光灯电子镇流器三次谐波电流含量高达80%～90%;

　　②高档的电子镇流器三次谐波电流含量分三种标准：L标准：其谐波电流含量<37%;H标准：其谐波电流含量<30%;带灯丝预热控制的

　　电子镇流器其谐波电流含量<10%。市场上的商品实际上达不到标准要求;

　　③节能型电感镇流器标准规定THDI<20%，其中三次谐波电流含量占主要成分。

　　(2)电弧焊接设备(电弧的非线性类负荷);

　　(3)计算机开关型电源及显示器(大型显示屏幕);

　　(4)彩色电视机及监视器，如证券公司、体育场馆、商业中心和新闻中心的电视墙的显示幕墙。普通型彩色电视机THDI可达127%，三次谐波电流含量高达90%;

　　(5)晶闸管调压电源(如加热器、调光器、电化学电源等);

　　(6)晶闸管调功电源(如加热器、电化学电源等);

　　(7)整流电源(如电器的工作电源、充电器、直流传动及电化学电源等);

　　(8)开关型稳压电源及UPS;

　　(9)变频器(AC-DC-AC及AC-AC型)。

　　①变频的家用电器，如空调、洗衣机、风机、泵、微波炉;

　　②工业及建筑用的调速电动机;

　　③中频电源。

　　2 三次谐波的影响

　　各次谐波在电路中的作用是不相同的，谐波的叠加与相序有关。同一电路中的某些谐波相互作用时，会相互减弱或相互抵消。但在更多的场合往往相互叠加，使波形发生明显的畸变。只有3次谐波出现时，波形才如图1所示(忽略，详见本期杂志);

　　相线与中性线之间的非线性负荷产生三次谐波电流，并在中性线进行叠加。由于三次谐波及其倍数次谐波呈零序特征，因此中性线上的三次谐波电流是三相中三次谐波电流的代数和，会引起过载风险使所有的谐波电流造成电流和电压畸变，还形成150Hz的电磁场，对其周围的电子控制、保护及通信设备和系统产生干扰，主要表现为：

　　(1)因为三次谐波的零序性，低压母线上的三次谐波电压主要与中性线的三次谐波电流有关;

　　①当变压器接法为Y-Yn0时，零序性的三次谐波电流将成为励磁电流，在此零序励磁电抗上产生较大的压降，即三次谐波电压，很容易造成低压母线上的电压总畸变率超标;

　　②当变压器接法为△-Yn0时，10kV侧的变压器绕组形成三次谐波电流流通的回路，该回路阻抗为变压器漏抗，远较零序励磁阻抗小为20倍左右　，从而不会在低压母线产生很大的三次谐波电压，见图2(忽略，详见本期杂志);

　　(2)如果低压三相的三次谐波电流不平衡，则存在正序和负序的三次谐波分量：

　　①如果配电变压器为Y-Yn0接线，低压侧正序和负序的三次谐波电流会在高压侧绕组感应出三次谐波电压，对高压侧产生影响;

　　②如果配电变压器为△-Yn11接线，低压侧正序和负序的三次谐波电流在高压侧绕组感应出的三次谐波电流在△绕组形成环流，对高压侧产生的三次谐波影响要比变压器为Y-Yn0接线时小，但增加了变压器高压绕组的损耗。

　　(3)由于中性线中三相负荷不平衡引起的工频电流和三次谐波电流的叠加有可能大于相电流，当三相的三次谐波平衡时，由于Y-Yn0接线的变压器铁芯中零序的三次谐波无通路，磁通只能经铁心、空气和外壳等构成回路，产生附加损耗和局部过热;而在Y-Yn11接线中，△绕组为三次谐波电流提供通路，它所产生的三次谐波磁通将抵消铁芯中的原三次谐波磁通，从而使铁心中的合成磁通基本上呈正弦波，减少了附加损耗，但谐波电流的存在使K因子因谐波发热而降低变压器输送能力，正常值为1.0　和电流波峰系数增大，造成供电变压器的利用率下降或过载;

　　(4)由于中性线中电流过大，使配电系统中性线的电缆、导线出现过负荷引起绝缘老化加速，增加了火灾隐患。主要原因有：

　　①国内普遍选取中性线导体的截面积是相线的50%;

　　②已运行的许多按老标准设计制造的电缆中，中性线导体的截面积是相线的33%;

　　③已运行的许多按新标准设计制造的电缆中，中性线导体的截面积是相线的50%;

　　④中性线与相线导体选取相同截面积，无论工程设计、材料制造、安装、投入使用所占的比例都很小。

　　(5)由于电流和电压畸变，增加了供电系统中其他设备和材料的损耗，引起附加发热、加速绝缘老化、减少使用寿命;

　　(6)由于电流和电压畸变，增加了供电系统中设备和材料的振动和噪音;

　　(7)由于电流和电压畸变，使无功补偿电容器组由于并联谐振而损坏，电动机等绕组类设备绝缘击穿而损坏;

　　(8)电流和电压畸变及150Hz电磁场：引起测量精确度异常，对控制所需要的同步信号的捕捉与锁相条件恶化、干扰增加，从而使电子控制、测量、保护及通信设备运行不正常;

　　(9)对用UPS供电的广播电视节目录制及播放系统产生附加背景噪声，并损坏UPS设备;

　　(10)使照明光源闪烁而损坏;图像显示设备频闪，显示失真;

　　(11)三次谐波电流对其他设备和器材的负面影响要大于其对产生三次谐波电流的谐波源的影响。

　　3 三次谐波滤波

　　滤波器与谐波源越近，滤波效果越好，这是减小谐波电流和谐波电压畸变的最好办法尤其适用于非线性负荷的供电点集中、又与线性负荷共由一个变压器供电的情况。如果三次谐波电流引起的三次谐波电压畸变及变压器过载是主要问题建议在主电源配电柜装设滤波器。

　　目前，工程中对带中性线低压供电系统降低三次谐波的方式主要有4种：

　　(1)被动式并联型滤波器(可以广泛使用);

　　(2)被动式串联型的滤波器(由于使低压母线上的谐波电压升高，不但不能消除非线性负荷之间的相互干扰，反而增大了对线性负荷的干扰;由于增加了中性线的阻抗，引起配电系统接地故障保护灵敏度下降);

　　(3)带中性线的有源滤波器;

　　①并联型(可以推广使用);

　　②串联型(目前由于商用产品较少，很少使用);

　　③并联型有源滤波器与被动式滤波器并联使用(可以推广使用);

　　④串联型有源滤波器与被动式滤波器并联使用(目前由于商用产品较少，很少使用);

　　⑤串联型有源滤波器与被动式滤波器串联使用(目前由于商用产品较少，很少使用)。

　　(4)双Z接线的变压器

　　利用变压器原、付边绕组的曲折接线来消除电源侧谐波对负荷的影响和负荷侧谐波对电源侧的影响，具有消除谐波的功能。既可以作为供电变压器也可以作为隔离变压器，适用于三相式负荷：

　　①对单独的非线性负荷单独装设;

　　②对集中的非线性负荷装设(不能消除非线性负荷之间的相互干扰)。

　　3.1 被动式并联型滤波器

　　3.1.1 滤波器的构成。如图3所示(忽略，详见本期杂志)。

　　滤波器由电容器串联电抗器构成，谐波滤波器产生基波无功功率，以达到目标功率因数。电抗器的电感值选择使其对三次谐波形成很低阻抗的串联谐振大部分的谐波电流可被滤除。

　　谐波滤波器通常根据具体项目的测量结果采用标准元件组合而成，这样可以保障以合理的投资获得最佳的无功功率补偿和谐波滤波效果。

　　3.1.2 滤波器与供电系统的连接

　　滤波器一次回路与主配电母线或分配电母线经带断路器或熔断器的馈线相并联。如图4所示(忽略，详见本期杂志)。

　　3.1.3 滤波器的控制方式。见图5(忽略，详见本期杂志)。

　　(1)与常见的补偿电容器组一样，它可以由一台功率因数调整器、控制电容器专用接触器、投入和切除;

　　(2)可以根据中性线中的电流，由外部的电流继电器控制其投入和切除;

　　(3)滤波器与负荷控制同步。

　　3.1.4 滤波器的保护方式

　　(1)利用滤波器进线前的带复式脱扣功能的断流器;

　　(2)利用滤波器进线前的熔断器;

　　(3)滤波器柜内的过电压、过负荷继电保护;

　　(4)低压金属化全膜电容器的内附熔丝保护。

　　3.1.5 确定滤波器所需要的数据

　　(1)中性线或相线中的三次谐波电流;

　　(2)滤波器接入点的电压畸变(相对中性线);

　　(3)需要的无功补偿功率;

　　(4)变压器的容量(S/kVA)及短路阻抗百分比(Zk%);

　　(5)安装地点(主配电柜或分配电柜)。

　　3.2 被动式串联型的滤波器

　　3.2.1 滤波器的构成

　　滤波器由电容器并联电抗器构成，然后串联在供电系统的中性线上。如图6所示(忽略，详见本期杂志)。

　　电容器电容与电抗器电感值的选择：

　　(1)对50Hz工频形成很低阻抗的串联谐振，以利于三相不平衡负荷引起的负序工频电流在中性线和串接的滤波器中无障碍流通;

　　(2)对150Hz三次谐波形成很高阻抗的串联谐振，以阻碍单相非线性负荷产生的电流源性质的三次谐波电流在中性线上流通，其结果是绝大部分的三次谐波电流被阻断。

　　3.2.2 滤波器与供电系统的连接

　　滤波器一次回路与配电系统的中性线相串连。

　　3.2.3 滤波器的控制方式

　　通过旁路开关和旁路接触器手动投入或切除。

　　3.2.4 滤波器的保护方式

　　利用综合的检测与保护通过旁路开关以实现下列要求：

　　(1)防止不平衡工频电流在滤波器两端引起的过电压;

　　(2)防止三次谐波电流过载;

　　(3)供电系统内部故障;

　　(4)滤波器故障。

　　3.2.5 确定滤波器所需要的数据

　　(1)中性线或相线中的三次谐波电流;

　　(2)中性线中的最大工频电流;

　　(3)变压器的容量(S/kVA)及短路阻抗百分比(Zk%);

　　(4)配电系统的接线方式;

　　(5)安装位置的环境要求。

　　3.3 三相四线式的并联型有源滤波器。见图7(忽略，详见本期杂志)。

　　并联型有源滤波器实质上是一个受控的快速反应的谐波电流源，与非线性负荷并联，自动检测非线性负荷产生的谐波电流及滤波器与系统连接点的电压畸变。经DSP产生的控制信号控制IGBT高速开关器件，既将储能的直流电容器上的直流电压转换成一系列的方波再经过输出电抗器输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，起到补偿谐波的作用，同时又控制直流电容器上的充电电压。其结果是系统只向负荷提供基波电流。

　　每一种并联型有源滤波器均有三相三线和三相四线可供选择，带中性线的设备必须使用三相四线式，且用户应注意中性线上的电流是1倍、2倍还是3倍的相线电流。

　　4. 目前适用的三次谐波滤波方式的对比

　　4.1 被动式并联型三次滤波器

　　4.1.1 特点

　　(1)可以补偿无功功率(功率因数)，同时可以滤波;

　　(2)可以降低谐波电流和谐波电压，减少非线性负荷之间及与线性负荷之间的相互干扰，降低对上级电网的影响;

　　(3)只需考虑无功功率和谐波滤波，不受滤波器外部供电系统故障及其他不确定因素的影响，系统接线简单，运行安全可靠;

　　(4)可以对单个非线性负荷、集中非线性负荷、变压器总供电系统进行补偿，安装位置灵活多样;

　　(5)控制方式灵活多样，投切不影响供电系统的安全性;

　　(6)滤波器元件的运行参数范围明确，内部故障保护方式成熟、可靠、简单，不影响供电系统正常运行;

　　(7)可以和其他被动式滤波器和有源型滤波器配合使用。

　　4.1.2 适用范围

　　带中性线的低压供电系统的三次谐波滤波和功率因数补偿

　　4.2 被动式串联型三次滤波器

　　4.2.1 特点

　　(1)可以对谐波电流进行滤波;

　　(2)可以降低谐波电流，降低对上级电网的影响理。论分析和现场测试均证明串联型滤波器增大了低压母线上的谐波电压，因此增大了非线性负荷之间及与线性负荷之间的相互干扰。同时由于谐波电流的阻断和谐波电压的升高，对于绝大多数产生三次谐波电流的谐波电流源性质的非线性负荷，会影响其正常工作;

　　(3)不但要考虑谐波、滤波，还要考虑中性线上的不平衡工频电流受滤波器外部供电系统故障及其他不确定因素的影响，由于增加了中性线的阻抗引起配电系统接地故障保护装置的灵敏度下降，中性线的安全直接涉及到供电系统的安全性。系统接线简单，但运行安全可靠性低，属于被动式三次谐波滤波器初始的方案;

　　(4)可以对集中的非线性负荷、变压器总的供电系统进行补偿，安装位置不灵活;

　　(5)控制方式不灵活，投切影响供电系统的安全性;

　　(6)滤波器元件的运行参数范围由于并联振荡不明确，内部故障保护方式可靠性差，影响供电系统正常运行;

　　(7)可以和其他被动式滤波器和有源型滤波器配合使用。

　　4.2.2 适用范围

　　理论和测试数据充分证明了其安全可靠性和负面影响，在工程中慎重考虑其大量使用。

　　4.3 三相四线式并联型有源滤波器(三相三线式不可使用)

　　4.3.1 特点

　　(1)自适应滤波，同时补偿无功功率(功率因数);

　　(2)可以降低谐波电流和谐波电压，减少非线性负荷之间及与线性负荷之间的相互干扰，降低对上级电网的影响;

　　(3)只需考虑无功功率和谐波滤波，不受滤波器外部供电系统参数的影响，运行安全可靠;

　　(4)可以对单个非线性负荷、集中非线性负荷、变压器总供电系统进行补偿，安装位置灵活多样;

　　(5)控制方式自适应，投切不影响供电系统的安全性;

　　(6)内部保护安全可靠，不因谐波过载而退出运行、扩展容易;

　　(7)可以和被动式滤波器配合使用。

　　4.3.2 适用范围

　　对补偿效果要求非常高，而负荷产生的谐波无论是频率、幅值还是相位均有较大的随机性;

　　低压供电系统的三次及其他特征、非特征、间谐波滤波和功率因数补偿。与被动式滤波器的配合使用能够发挥各自优势，达到补偿效果和经济性的完美结合。

　　5 结论

　　根据对以上处理三次谐波问题的各种方法分析比较，结论如下：

　　(1)使用并联型三次谐波滤波器可有效降低三次谐波电流，同时降低三次谐波电压;

　　(2)使用串联型三次谐波滤波器虽可降低中性线三次谐波电流，但却增大了三次谐波电压;

　　(3)使用三相四线式的并联型有源滤波器可有效滤除中性线的三次谐波电流，降低三次谐波电压;

　　(4)使用三相三线式的并联型有源滤波器根本无法滤除中性线的谐波电流，不可使用;

　　(5)使用改变变压器绕组接法只能降低高压侧的三次谐波，但要求三相负荷必须完全相同，条件高、较难实现。同时谐波电流流经变压器，增加了变压器的负担，加大了变压器的损耗，即使各种条件符合，在低压侧仍然存在大量的三次谐波电流，危害依然存在。

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