低压配电系统的谐波分析及其抑制方法

作者：聂艳丽

来源：《中国高新技术企业》2012年第17期

摘要：谐波严重危害电气系统的安全性与稳定性，还会增加额外的电能损耗，缩短设备电气寿命，对低压配电系统的电能质量造成严重污染，影响功率因数，导致供电效率降低。机场对电能质量的要求很高，文章以机场助航灯光变电站中的低压配电系统为例，通过对灯光站中谐波产生的原因进行详细分析，给出了抑制谐波的方法。 关键词：低压配电系统；谐波；无源滤波器；有源滤波器

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）25-0117-03 1 概述

随着电力电子设备在低压配电系统中的广泛应用，低压配电中的电能质量越来越受到关注与重视。科学的不断进步，带来大量先进的电子电气产品，应用于机场中，其中大部分都为非线性负荷。而机场是一类负荷，对电力的持续性和稳定性要求极高。因此，合理的机场助航灯光变电站的低压配电设计显得尤为重要。要求相关设计人员在进行相关设计时，就应该考虑到谐波可能产生的根源，并采取相应抑制措施。首先，灯光变电站内的主要负荷就是可控硅调光器，它是非线性负荷，是导致灯光变电站产生大量谐波的主要原因。灯光变电站低压系统中产生的谐波，就会对助航灯光供电系统的电能质量造成严重污染，使得配电系统的电压、电流均产生畸变，场区内的助航灯光灯具会发生频闪，影响对飞行员的正确引导，也会严重缩短灯具的寿命。同时，由于存在大量的谐波分量损耗，使得系统功率因数下降，就会导致低压系统的供电效率降低。当市电供电时，对灯光系统的运行安全影响较小；而当切换至灯光变电站内的柴油发电机组供电时，就有可能发生发电机组无法提供负荷所需的有功电能，导致电动机抖动，调光器无法进行高光级下的电流控制和调节，输出电流就会出现失调而报警。严重情况下，甚至可能会出现设备跳闸的现象，存在极大的安全隐患。因此，机场灯光站的谐波治理问题尤为重要。文章通过对灯光站低压配电系统谐波产生的原因进行详细分析，给出了抑制谐波的方法，为以后的工程提供了有益参考。 2 谐波概述

在供电系统提供的电能质量比较理想的情况下，通过负荷的交流电波形应该是标准的正弦波。但是，由于大量的非线性负荷设备应用于电力系统中，实际的交流电波形往往会发生畸变，成为不规则波形。测得的交流电波形就是一种非正弦的周期波。利用电流的叠加原理，对一个非正弦的畸变电流波形作傅立叶变换，可分解为无穷多个正弦量相叠加的形式。其中频率

与工频相同的分量称为基波，还会得到一系列频率大于电力系统基波频率的正弦分量，这些频率较高分量称为谐波。谐波的频率为基波频率的整数倍数，所以，谐波也常被称为高次谐波。 3 谐波的产生及危害

在机场助航灯光变电站内，可控硅调光器是低压配电系统中的最主要设备。它负责控制整个机场助航灯光的开/关和调节灯光亮度，控制其所带的灯光回路电流保持在规定值。机场灯光变电站中多采用可控硅调光器，它是采用相位控制方法来实现调光的，使得调光器的输出电流保持在规定值。当电网中的正弦波电压施加于可控硅调光器时，就变成了非线性波形。调光器在调相变控恒流过程中产生了大量的谐波，从而对整个系统造成污染。另外，为提高系统的功率因数，在灯光站电压电气设计中往往会使用纯容性的无功补偿柜，这会将系统中的谐波放大。

灯光站中的调光器采用两相电源输入，在电气设计中，往往三相负荷达不到完全平衡，从而产生非规则化的谐波频谱，也容易产生大幅值的高次谐波，干扰调光器的控制系统。 灯光站低压配电系统中谐波的存在，就会影响到整个系统的电压、电流波形。畸变的波形使得功率因数下降，系统的供电效率降低。如果市电失电，全场的灯光负荷均转由站内的柴油发电机供电，就有可能发生原本设计合理的发电机容量，小于整个系统在高光级别条件下所需要的视在功率的情况，从而影响调光器对高光级别的调节与控制，甚至有可能直接导致设备跳闸，对运行带来极大的安全隐患。另外，现在机场中的助航灯光监控系统，通常也是利用灯光输电电缆的载波进行通信的。如果灯光变电站中存在有谐波，就会很大程度上影响信号传输的准确性。

4 谐波的抑制方法

通常采用无源滤波器和有源滤波器进行谐波抑制。其中，无源滤波器是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联起来。利用电路谐振的特点，形成某次谐波的低阻抗通道，将大部分谐波电流分流。比如，电力系统对7次谐波发生谐振，滤波装置就针对7次谐波形成低阻通路，从而达到滤波的目的。有源滤波器则是通过实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流分量，并将其反向，通过控制IGBT的触发，将方向电流注入供电系统，实现滤波谐波功能，达到滤波的目的。

无源滤波器结构简单、造价低，在市场中的应用较早，目前国内的使用技术也已经很成熟。无源滤波器和滤波源是并联的，其自身的运行或设备故障对滤波源一般是没有影响的。但是，无源滤波器只能吸收滤波源中的大部分谐波，而不能完全消除谐波，反而会因为系统阻抗计算设计不准确，进一步放大谐振。另外，无源滤波器为单谐振滤波器，对每次谐波都要计算系统阻抗，进行单独设计，计算系统的阻抗也比较繁琐。机场的电气系统逐年扩建，系统阻抗

也会随之变化，同时，电容的老化也会使原来设计的谐振点偏移，而达不到滤除目标谐波的目的。

有源滤波器是一种新型的滤波装置，它能够针对谐波源进行自调节地抑制谐波、补偿无功。无源滤波器只能针对单次谐波进行固定补偿，而有源电力滤波器则可以动态地根据检测进行跟踪补偿，具有更好的可控性和快速响应性，能补偿各次谐波。滤波的效率不受谐波源系统阻抗变化的影响，还不会发生与谐波源发生谐振的危险。但是，有源滤波器需要先检测再相应抵消。如果检测不准，会放大谐波源电流。目前，有源滤波器基本依靠进口，成本较高。 因此，在抑制灯光变电站谐波时，需多方面考虑。首先，若要根除灯光变电站的谐波污染，必须加快研制新一代的调光器，使其输出为正弦波，消除可控硅调光器引起的非线性谐波源。其次，灯光站中的大量谐波是由调光器内可控硅工作时所产生，这些谐波又会被纯电容补偿柜投入而放大，因此，应该对补偿柜进行改造，将补偿柜更换为兼滤波和无功补偿为一体的低压补偿滤波装置。另外，进行低压配电电气设计时，尽量调整调光器所接相序，保持三相平衡，减少由此导致的三相主导谐波不同的情况。综合各方面因素，在进行灯光变电站谐波治理时，若在主导谐波频率明确且较单一的前提下，可选用合适的无源滤波产品。若灯光供电系统复杂，电能质量要求较高，且在规划今后将不断扩建的情况下，可选用合适的有源滤波产品。 5 结语

助航灯光变电站对电能质量的要求很高，而由于站内大量使用可控硅调光设备，导致其自身的谐波问题比较严重，必须予以解决。无源滤波器和有源滤波器在治理电力系统谐波中有其各自的优缺点。在实际工程应用中，应结合具体工程的规模及供电系统结构以及所带的负荷特性，选择合适的谐波治理手段。 参考文献

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[3] 李燕青，陈志业，李鹏，等．电力系统谐波抑制技术[J]．华北电力大学学报，2001，28（4）．

作者简介：聂艳丽（1981-），女，安徽阜阳人，中国民航机场建设集团公司工程师。