高压电网无功补偿及谐波治理

摘要 阐述电网无功补偿及滤波装置的重要性，以及安装滤波装置后所产生的效果及经济效益。

1 无功电量的概念

在平稳直流状态下， 功率等于电压与电流的乘积， 即：P=U×I。

在交流状态下， 由于电压与电流均为时间的周期函数，则功率由下式来进行计算：

当电网中的负荷含有电抗成分(通常为感性成分)或者负荷具有非线性特性时，电压与电流就会有相位差或者电流含有谐波成分，此时电网传输能量的能力下降，功率的计算值小于电压有效值与电流有效值的乘积，于是就引入了功率因数的概念。功率因数的英文全称是Power factor，简称PF。PF 是一个无量纲的小于1 的实数。

当电压与电流用有效值表示并引入功率因数时，则功率由下式来进行计算：

当系统中没有谐波时，功率因数就是电压与电流相位差φ 的余弦函数即：PF = cosφ。于是功率的表达式可写为：

P=U×I×cos

引入了功率因数的概念以后，我们就可以利用向量的方法将电流分解为有功电流和无功电流：

式中：P 为有功功率，PL为无功功率，PS为视在功率。

有功功率代表着能量的传递，而无功功率是一种交流电网中特有的不传递能量的伴生量。

在电网系统计量过程中，还经常使用有功电量与无功电量来计算功率因数，由于有功电量相当于有功功率对时间的积分，无功电量相当于无功功率对时间的积分，因此这样的计算结果相当于功率因数在一个计量周期的平均值。

需要注意的是：

(1)只有无功电流与无功功率的概念，没有无功电压的概念。因此通常所说的无功可以指无功电流，也可以指无功功率。

(2)当系统中含有谐波时，用cos 来表达功率因数会产生较大的误差。谐波含量越大，误差越大。

2 无功补偿的必要性

由于无功电流的存在，在传送同样能量的情况下，电流比没有无功的情况下增加，会大量增加系统的铜损，降低线路与变压器的利用率，这是显而易见的事情。

在一个交流连接的电网中(这里强调交流连接的原因是因为直流输电线路不传递无功，因此用直流输电线路连接的若干电网可以分开为各自独立的电网来考虑无功问题)，无功电流在任何瞬间都是平衡的，也就是说，无功电流的发出量与吸收量在任何瞬间都是相等的， 这就是无功平衡原理。由于无功平衡原理的存在，无功电流虽然不传递能量，但是却会影响电网的电压，这是由电网中的设备性质决定的。电网中绝大部分发电机均为同步发电机。同步发电机在激磁电流不变时输出的无功电流与输出电压成反比，即：随着输出电压的减少而输出无功电流增加，反之，随着输出电压的增加而输出无功电流减少。而电网中大部分负荷所吸收的无功电流与电压成正比。因此，当电网中没有补偿装置时，负荷吸收的无功功率就全部要由发电机来提供。如果系统的无功不足，电压就会下降，电压下降以后，负荷吸收的无功减少，发电机发出的无功增加，从而保持无功的平衡。反之，如果系统的无功过剩，电压就会升高，电压升高以后，负荷吸收的无功增加，发电机发出的无功减少，从而保持无功的平衡。也就是说，电网可以依靠电压的变化来自动保持无功平衡。当系统中的无功严重不足，就会导致电压急剧下降，电压下降导致发电机发出的无功电流急剧增加，这时，如果某1 台发电机由于电流过载而解列退出电网，则无功更加不足，如此连锁反应，会导致电网崩溃的大事故。所以在电网中设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的需要和用电设备在额定电压下工作就显得非常必要。

由于无功的不良作用，供电部门对企业35kV 客户功率因数标准一般为0.9，因此、对于我们用户来讲，总是希望尽量提高功率因数，减少无功，减少无功的方法就是无功补偿，使负荷所吸收的无功被就地平衡， 避免大量无功电流的传输，这样既可以避免低功率因数罚款，相反、还能获得奖励。

3 谐波的产生及危害

电力谐波对电力网(用户)危害是十分严重的，它是一种电力污染，一种人们看不见、嗅不到、摸不着的污染。所以往往不被人们注意。对于电力系统，谐波是个很要命的问题!

3.1 谐波的概念

当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于50Hz 的电压或电流成分， 我们将频率高于50Hz 的电流或电压成分称之为谐波。当谐波频率为工频频率的整数倍时，我们将其称之为整数次谐波，这类谐波通常用次数来表示。例如：将频率为工频频率5 倍(250Hz)的谐波称之为5 次谐波，将频率为工频频率7 倍(350Hz)的谐波称之为7 次谐波，依此类推。当谐波频率不是工频频率的整数倍时，我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。例如：频率为1627Hz 的谐波。

3.2 谐波产生的原因。

谐波产生的原因多种多样，比较常见的有2 类：第1 类是由于非线性负荷而产生谐波，例如可控硅整流器、开关电源等， 这一类负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。例如三相六脉波整流器所产生的主要是5 次和7 次谐波，而三相12 脉波整流器所产生的主要是11 次和13 次谐波;第2 类是由于逆变负荷而产生谐波，例如中频炉、变频器，这一类负荷不仅产生整数次谐波，还产生频率为逆变频率2 倍的分数谐波。例如： 使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz 的中频炉则不仅产生5 次和7 次谐波，还产生频率为1640Hz 的分数谐波。

谐波在电网诞生的同时就是存在的，因为发电机和变压器都会产生少量的谐波。但是由于产生大量谐波的用电设备不断增加，并且电网中大量使用的并联电容器所造成的谐波放大，使得谐波的影响越来越严重，逐渐引起人们的重视。

3.3 谐波造成的危害

当电网中的谐波电流较大，以至于电压波形也产生畸变时，我们将其称之为电网被污染。电网的污染程度用电压波形畸变率来表示，简称THDu。按照国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的规定：10kV 电网的THDu 应小于4%，400V 电网的THDu 应小于5%。谐波与无功电流不同。无功电流只影响电网的电压，并增加供电系统的铜损，通常不会影响用户，也不会影响计量精度。而谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下，所有电网中的设备与负荷均会受到影响。谐波与无功还有一点不同：无功电流在没有补偿的情况下会一直传送到发电机，而谐波电流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。

当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很严重的后果。

谐波造成的危害大致如下：

(1)对变压器，谐波电流会增加变压器的铜损和漏磁损，谐波电压会增加变压器的铁损，谐波会增加变压器的工作噪音和温升等。

(2)对电缆，谐波电流可能造成线路过载过热，损害导体绝缘体，同时高频谐波可能造成集肤效应降低电缆的额定载流，铜损急剧增加。

(3)对表计，谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。因为在高次谐波严重的情况下(例如中频炉)会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。

(4)对精密电子设备(包括电子式电能表)，精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。

(5)对设备，所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故.

(6)对电机类负荷，谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。

(7)对控制系统，谐波电流会造成电压畸变，导致电压过零点漂移，改变了线电压之间的位置点，使得控制系统判断错误而误操作等。

谐波源的特性非常复杂，因为谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中的其他负荷的性质有关。因此滤波器无法做成定型产品， 必须通过技术人员对谐波源现场情况的测试，然后根据现场测试结果进行专门设计。

4 谐波的治理

无源滤波器由滤波电容器， 滤波电抗器等适当组合成LC 滤波装置， 滤波器除起滤波作用外， 还兼作无功补偿作用。LC 滤波器主要有调谐和滤波器，双调谐和滤波器，高通滤波器，C 型滤波器等。实际运用中根据谐波电流的分布及大小以及无功需求情况设计成几组滤波器，每一组滤波器对应某一次谐波呈低阻抗，高通滤波器对截止频率以上的谐波均呈现低阻抗，C 型滤波具有调谐频带宽，损耗低的特点。滤波器的分组需进行精密计算， 既要滤除主要的谐波电流，也要满足无功补偿要求，同时还要防止某一词整数次频率下由于滤波器与系统阻抗发生并联谐振而产生的谐波电流放大。

本厂通过技术人员对谐波源现场情况的测试后决定采用的10kV 自动滤波成套装置为3 组不等容组合，可根据功率因数定值、无功需求量依据“先投后切”的原则自动投切滤波通道，使功率因数和谐波稳定在适当的范围内。

(1)针对系统需求选项，可同时滤除3 次到7 次的谐波电流，滤波效果明显。

(2)既能治理谐波又能补偿无功。

(3)改善冲击负载引起的电流冲击，减少电压波动和抑制电压闪变，提高电压稳定性。

(4)可提高功率因数。

(5)采用高性能真空断路器投切各滤波支路，完善的控制系统，保护功能齐全，具有短路保护、过压保护、过流保护等，运行可靠，操作简单。

5 谐波治理带来的效益

安装谐波治理装置后， 带来明显的经济效益和社会效益：

(1)谐波经测试达到国家标准要求，同时能有效的就地无功补偿，有效的降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，增加相应的带载能力，节电率达10%～30%，减少扩容所需的投资。

(2)有效的降低变压器的损耗，提高变压器的安全运行系数， 保证对谐波敏感的保护装置和器件不发生误动作，起到节能降耗的目的。

(3)平均谐波滤除率可达70%～80% 以上，减小集肤效应，热损、铜损、铁损、磁损、噪音大为下降，符合国家对能源节约和降耗的指示和可持续发展的要求。

(4)有效地抑制谐波电流，提高了电压稳定性，用电质量明显改善，10kV 侧满足国标GB/T14549-93 优化供电质量，进而提高了产品质量，同时避免因谐波造成的交流电波形畸变而造成电网计量具不准而被当地供电部门罚款。

(5)功率因数提高到0.92 以上，使电网线损降低并提高配电变压器的承载效率，力率调整费变罚为奖，经济效益明显。

(6)提高电网安全经济运行水平，并逐步消除谐波污染，减少谐波对通信、自动装置、电能计量和继电器保护的干扰。

6 结束语

随着我国电能质量治理工作的深进开展，综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题，是用电企业当前面临的一大课题。采取有力的抑制谐波的措施，不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率，同时能不断降低企业成本，提高企业市场竞争力。