湛江电网的谐波现状与对策初探

　　一、前言
　　随着供电可靠性要求的提高，公用电网中的谐波问题也日益引起重视。根据国家标准GB/T 14549-1993《电能质量：公用电网谐波》的规定，2005年3月29日至4月2日，我局对所辖的5个220kV变电站及6个110kV变电站的母线谐波电压、部分出线谐波电流进行检测。检测点选在变电站各级电压母线PT二次侧、被测出线CT二次侧，测试时各变电站正常带负荷运行。
　　二、现状
　　 1．在被检测的变电站中，所有10kV母线电压谐波总畸变率均小于4%，所有35kV母线电压谐波总畸变率均小于3%，所有110kV母线电压谐波总畸变率均小于2%，所有220kV母线电压谐波总畸变率均小于2%。以上指标均满足国家标准GB/T 14549-1993《电能质量：公用电网谐波》的要求。
　　 2．被检测负荷馈线的谐波电流数值均比较小，表明变电站所带负荷中没有大的谐波源用户。
　　 3．在被检测的变电站电容器组中，110kV龙潮站#2变10kV电容器组、220kV赤坎站#1变10kV电容器组、220kV霞山站#1变10kV电容器组3、5次谐波电流都比较大，其中赤坎站#1变10kV电容器组的A相3次谐波电流达99.02A，B相3次谐波电流达150.4A，C相3次谐波电流达52.11A，存在一定的谐波放大现象。
　　三、分析
　　1．母线电压谐波总畸变率、馈线的谐波电流数值均比较小，说明电网中没有大的谐波源。
　　2．部分变电站10kV电容器组3、5次谐波电流较大，说明电容器组及串联电抗器支路与系统（变压器等元件支路）在3、5次谐波频率附近产生并联谐振，对3、5次谐波有一定的放大作用。因此，应采取以下措施限制电容器组的谐波电流：
　　a．重新校核各变电站10kV电容器组与串联电抗器的技术参数，并验算电容器组支路与变压器等元件支路所构成的回路的谐振频率，避免因谐振频率与某一次谐波相接近而引起对该次谐波的谐振放大。
　　b．加强对电容器组的运行监视，例如配置电容器组谐波监测与保护装置，防止电网中因谐波分量增加及电容器组谐振放大而出现谐波过电流或谐波过电压。
　　四、校核
　　1．电容器组对谐波电流的放大原理
　　电网中主要谐波源一般可视为恒流源，即其产生的谐波电流和外阻抗无关。为了简化计算，设电网中除变压器支路及电容器组支路外，其余为谐波源。设谐波源的h次谐波电流为Ih，进入系统的谐波电流为Ish，进入电容器组的谐波电流为Ich，其简化等效电路如图1所示。
　　图中系统h次谐波阻抗为Zsh=Rsh +j Xsh，通常Rsh< 　　 ⑴
　　 ⑵
　　
在式⑴和式⑵中引入 ，并以Ih作为基准电流，则
　　 ⑶
　　 ⑷
　　根据式（3）和式（4）可得出 和 随β的变化曲线，如图2所示。
　　当1+β= 0，β=－1，即 h = h0 = 时，电容器组和串联电抗器与系统发生并联谐振，谐波电流放大达到最大值；当β=－2，即h = ha = 时， = 2， = 1；当β = －0.5，即h = hb = 时， = 2， = 1。－2＜β＜－0.5，即ha＜h＜hb为使谐波电流严重放大的区域。可以看出，串联电抗器XL愈大，ha和hb愈小，且（ha－hb）亦愈小，即串联电抗器不仅可以降低谐振波次数，并且缩小了谐振电流严重放大的区域。
　　当β＜－2，即h＜ha时，电容器组支路阻抗呈容性，流入系统的谐波电流Ish虽然比谐波源电流Ih大，但放大并不严重；当β= 0，即 时，有 ，即电容器组支路发生串联谐振，相当于对h0’次谐波完全滤波，此时Ich = Ih，Ish = 0；当－0.5＜β＜0，即hb＜h＜h0’时，电容器组支路亦呈容性，流入系统的谐波电流仅为谐和波源电流的一部分（Ish＜Ih），但电容器组支路中的电流有所放大（Ich＞Ih）；当β= 1，即h = hc = 时，Ich = Ish = ；当0＜β＜1，即h0’＜h＜hc时，电容器组支路已呈感性，起分流作用，随着β（或h）增大，分流作用将减小。
　　上述情况可以归结到表1中。当系统和电容器组支路发生并联谐振时，不能忽略系统（包括负荷）的等值电阻。表1中粗略地按 来估算谐振电流的最大值。根据国外某些电网的经验，对于h ≤ 13， = 5 ~ 10。
　　2．验算
　　下面校核赤坎站#1主变10kV电容器组及所串联电抗器的参数，并验算电容器组支路与变压器等元件支路所构成的回路的谐振频率。验算结果如表2。
　　校验结果表明，赤坎站#1主变10kV电容器组与串联电抗器支路的串联谐振频率为工频的4.097倍。当谐波电流频率抵于谐振频率时，电容器组与串联电抗器支路阻抗呈容性，在某一频率（3倍频）时，有可能与阻抗呈感性的变压器支路产生并联谐振，出现谐波放大现象。
　　五、对策
　　1．串联电抗器参数不变，减小电容器组容量Q，增大容抗Xc（ ），使并联谐振频率h0 偏离3倍频，趋向高倍频（6倍频以上）。由于高倍频谐波源电流很小，加上各种设备对地电容的分流作用，所以即使存在谐波放大现象，电流值亦很小（< 20A），符合国家标准GB/T 14549-1993《电能质量：公用电网谐波》的规定。此方案投资最省，工作量最少，只需将部分电容器退出运行即可。但应加强对电容器组的运行监视，例如配置电容器组谐波监测与保护装置，防止电网中因谐波分量增加及电容器组谐振放大而出现谐波过电流或谐波过电压。另外，在选择退运电容器时要注意三相平衡，防止电容器组零序电流过大引起电容器保护动作。
　　2．串联电抗器参数不变，增大电容器组容量Q，减小容抗Xc，使电容器组支路在3倍频附近产生串联谐振（对3倍频起滤波作用）。当谐波频率高于3倍频时，电容器组支路阻抗呈感性，从而防止与系统产生并联谐振。由于串联电抗器的感抗XL较小，要使串联谐振频率h0’等于或接近3倍频，则电容器组容抗Xc要减小很多，亦即电容器组容量要增大很多。此方案投资较大，亦有一定工作量。
　　3．电容器组容量不变，增大串联电抗器阻抗电压Uk%，亦即增大感抗XL（ ），使电容器组支路在3倍频附近产生串联谐振（对3倍频起滤波作用）。当谐波频率高于3倍频时，电容器组支路阻抗呈感性，从而防止与系统产生并联谐振。由于需要更换三相串联电抗器，所以此方案投资大，工作量亦很大。
　　4．既增大串联电抗器阻抗电压Uk%，又增大电容器组容量Q，使两者参数配合，电容器组支路在3倍频附近产生串联谐振（对3倍频起滤波作用）。这样可以避免因单组电容器组容量过大导致投切电容器时引起电压波动过大。此方案投资最大，工作量亦最大，非不得已情况下不可取。

表1流入系统和电容器组支路的谐波电流

谐波 次数 h	谐波电流 状态	流入系统的谐波电流Ish/Ih	流入电容器组支路的谐波电流Ich/Ih	特征谐波次数的表达式
0 ~ ha	系统谐波电流轻度放大	1 ~ 2	0 ~ 1
ha ~ h0	严重放大	2 ~	1 ~
h0 ~ hb	严重放大	1 ~	~ 1
hb ~ h0’	电容器组支路谐波电流 轻度放大	1 ~ 0	2 ~ 1
h0’~ hc	谐波电流 分流 （不放大）	0 ~ 0.5	1 ~ 0.5
h＞hc	电容器组 支路分流 作用不大	0.5 ~ 1	0.5 ~ 0	—