電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的重要性

1 無(wú)功電量的概念

在平穩(wěn)直流狀態(tài)下， 功率等于電壓與電流的乘積， 即：P=U×I。

在交流狀態(tài)下， 由于電壓與電流均為時(shí)間的周期函數(shù)，則功率由下式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)電網(wǎng)中的負(fù)荷含有電抗成分(通常為感性成分)或者負(fù)荷具有非線性特性時(shí)，電壓與電流就會(huì)有相位差或者電流含有諧波成分，此時(shí)電網(wǎng)傳輸能量的能力下降，功率的計(jì)算值小于電壓有效值與電流有效值的乘積，于是就引入了功率因數(shù)的概念。功率因數(shù)的英文全稱是Power factor，簡(jiǎn)稱PF。PF 是一個(gè)無(wú)量綱的小于1 的實(shí)數(shù)。

當(dāng)電壓與電流用有效值表示并引入功率因數(shù)時(shí)，則功率由下式來(lái)進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有諧波時(shí)，功率因數(shù)就是電壓與電流相位差φ 的余弦函數(shù)即：PF = cosφ。于是功率的表達(dá)式可寫(xiě)為：

P=U×I×cos

引入了功率因數(shù)的概念以后，我們就可以利用向量的方法將電流分解為有功電流和無(wú)功電流：

式中：P 為有功功率，PL為無(wú)功功率，PS為視在功率。

有功功率代表著能量的傳遞，而無(wú)功功率是一種交流電網(wǎng)中特有的不傳遞能量的伴生量。

在電網(wǎng)系統(tǒng)計(jì)量過(guò)程中，還經(jīng)常使用有功電量與無(wú)功電量來(lái)計(jì)算功率因數(shù)，由于有功電量相當(dāng)于有功功率對(duì)時(shí)間的積分，無(wú)功電量相當(dāng)于無(wú)功功率對(duì)時(shí)間的積分，因此這樣的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于功率因數(shù)在一個(gè)計(jì)量周期的平均值。

需要注意的是：

(1)只有無(wú)功電流與無(wú)功功率的概念，沒(méi)有無(wú)功電壓的概念。因此通常所說(shuō)的無(wú)功可以指無(wú)功電流，也可以指無(wú)功功率。

(2)當(dāng)系統(tǒng)中含有諧波時(shí)，用cos 來(lái)表達(dá)功率因數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。諧波含量越大，誤差越大。

2 無(wú)功補(bǔ)償的必要性

由于無(wú)功電流的存在，在傳送同樣能量的情況下，電流比沒(méi)有無(wú)功的情況下增加，會(huì)大量增加系統(tǒng)的銅損，降低線路與變壓器的利用率，這是顯而易見(jiàn)的事情。

在一個(gè)交流連接的電網(wǎng)中(這里強(qiáng)調(diào)交流連接的原因是因?yàn)橹绷鬏旊娋€路不傳遞無(wú)功，因此用直流輸電線路連接的若干電網(wǎng)可以分開(kāi)為各自獨(dú)立的電網(wǎng)來(lái)考慮無(wú)功問(wèn)題)，無(wú)功電流在任何瞬間都是平衡的，也就是說(shuō)，無(wú)功電流的發(fā)出量與吸收量在任何瞬間都是相等的， 這就是無(wú)功平衡原理。由于無(wú)功平衡原理的存在，無(wú)功電流雖然不傳遞能量，但是卻會(huì)影響電網(wǎng)的電壓，這是由電網(wǎng)中的設(shè)備性質(zhì)決定的。電網(wǎng)中絕大部分發(fā)電機(jī)均為同步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)在激磁電流不變時(shí)輸出的無(wú)功電流與輸出電壓成反比，即：隨著輸出電壓的減少而輸出無(wú)功電流增加，反之，隨著輸出電壓的增加而輸出無(wú)功電流減少。而電網(wǎng)中大部分負(fù)荷所吸收的無(wú)功電流與電壓成正比。因此，當(dāng)電網(wǎng)中沒(méi)有補(bǔ)償裝置時(shí)，負(fù)荷吸收的無(wú)功功率就全部要由發(fā)電機(jī)來(lái)提供。如果系統(tǒng)的無(wú)功不足，電壓就會(huì)下降，電壓下降以后，負(fù)荷吸收的無(wú)功減少，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功增加，從而保持無(wú)功的平衡。反之，如果系統(tǒng)的無(wú)功過(guò)剩，電壓就會(huì)升高，電壓升高以后，負(fù)荷吸收的無(wú)功增加，發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功減少，從而保持無(wú)功的平衡。也就是說(shuō)，電網(wǎng)可以依靠電壓的變化來(lái)自動(dòng)保持無(wú)功平衡。當(dāng)系統(tǒng)中的無(wú)功嚴(yán)重不足，就會(huì)導(dǎo)致電壓急劇下降，電壓下降導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)出的無(wú)功電流急劇增加，這時(shí)，如果某1 臺(tái)發(fā)電機(jī)由于電流過(guò)載而解列退出電網(wǎng)，則無(wú)功更加不足，如此連鎖反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)崩潰的大事故。所以在電網(wǎng)中設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)充無(wú)功功率，以保證用戶對(duì)無(wú)功功率的需要和用電設(shè)備在額定電壓下工作就顯得非常必要。

由于無(wú)功的不良作用，供電部門(mén)對(duì)企業(yè)35kV 客戶功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)一般為0.9，因此、對(duì)于我們用戶來(lái)講，總是希望盡量提高功率因數(shù)，減少無(wú)功，減少無(wú)功的方法就是無(wú)功補(bǔ)償，使負(fù)荷所吸收的無(wú)功被就地平衡， 避免大量無(wú)功電流的傳輸，這樣既可以避免低功率因數(shù)罰款，相反、還能獲得獎(jiǎng)勵(lì)。

3 諧波的產(chǎn)生及危害

電力諧波對(duì)電力網(wǎng)(用戶)危害是十分嚴(yán)重的，它是一種電力污染，一種人們看不見(jiàn)、嗅不到、摸不著的污染。所以往往不被人們注意。對(duì)于電力系統(tǒng)，諧波是個(gè)很要命的問(wèn)題!

3.1 諧波的概念

當(dāng)電網(wǎng)中的電壓或電流波形非理想的正弦波時(shí)，即說(shuō)明其中含有頻率高于50Hz 的電壓或電流成分， 我們將頻率高于50Hz 的電流或電壓成分稱之為諧波。當(dāng)諧波頻率為工頻頻率的整數(shù)倍時(shí)，我們將其稱之為整數(shù)次諧波，這類(lèi)諧波通常用次數(shù)來(lái)表示。例如：將頻率為工頻頻率5 倍(250Hz)的諧波稱之為5 次諧波，將頻率為工頻頻率7 倍(350Hz)的諧波稱之為7 次諧波，依此類(lèi)推。當(dāng)諧波頻率不是工頻頻率的整數(shù)倍時(shí)，我們將其稱之為分?jǐn)?shù)諧波。這類(lèi)諧波通常直接使用諧波頻率來(lái)表示。例如：頻率為1627Hz 的諧波。

3.2 諧波產(chǎn)生的原因。

諧波產(chǎn)生的原因多種多樣，比較常見(jiàn)的有2 類(lèi)：第1 類(lèi)是由于非線性負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如可控硅整流器、開(kāi)關(guān)電源等， 這一類(lèi)負(fù)荷產(chǎn)生的諧波頻率均為工頻頻率的整數(shù)倍。例如三相六脈波整流器所產(chǎn)生的主要是5 次和7 次諧波，而三相12 脈波整流器所產(chǎn)生的主要是11 次和13 次諧波;第2 類(lèi)是由于逆變負(fù)荷而產(chǎn)生諧波，例如中頻爐、變頻器，這一類(lèi)負(fù)荷不僅產(chǎn)生整數(shù)次諧波，還產(chǎn)生頻率為逆變頻率2 倍的分?jǐn)?shù)諧波。例如： 使用三相六脈波整流器而工作頻率為820Hz 的中頻爐則不僅產(chǎn)生5 次和7 次諧波，還產(chǎn)生頻率為1640Hz 的分?jǐn)?shù)諧波。

諧波在電網(wǎng)誕生的同時(shí)就是存在的，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)和變壓器都會(huì)產(chǎn)生少量的諧波。但是由于產(chǎn)生大量諧波的用電設(shè)備不斷增加，并且電網(wǎng)中大量使用的并聯(lián)電容器所造成的諧波放大，使得諧波的影響越來(lái)越嚴(yán)重，逐漸引起人們的重視。

3.3 諧波造成的危害

當(dāng)電網(wǎng)中的諧波電流較大，以至于電壓波形也產(chǎn)生畸變時(shí)，我們將其稱之為電網(wǎng)被污染。電網(wǎng)的污染程度用電壓波形畸變率來(lái)表示，簡(jiǎn)稱THDu。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定：10kV 電網(wǎng)的THDu 應(yīng)小于4%，400V 電網(wǎng)的THDu 應(yīng)小于5%。諧波與無(wú)功電流不同。無(wú)功電流只影響電網(wǎng)的電壓，并增加供電系統(tǒng)的銅損，通常不會(huì)影響用戶，也不會(huì)影響計(jì)量精度。而諧波的影響可以用“無(wú)孔不入”來(lái)形容。在電網(wǎng)被污染的情況下，所有電網(wǎng)中的設(shè)備與負(fù)荷均會(huì)受到影響。諧波與無(wú)功還有一點(diǎn)不同：無(wú)功電流在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下會(huì)一直傳送到發(fā)電機(jī)，而諧波電流通常全部被電網(wǎng)中的設(shè)備與負(fù)荷吸收掉。

當(dāng)電網(wǎng)的諧波污染程度小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定時(shí)，通常不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。隨著污染程度的增加，諧波的影響就逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。在諧波嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，如果不進(jìn)行諧波治理，往往會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的后果。

諧波造成的危害大致如下：

(1)對(duì)變壓器，諧波電流會(huì)增加變壓器的銅損和漏磁損，諧波電壓會(huì)增加變壓器的鐵損，諧波會(huì)增加變壓器的工作噪音和溫升等。

(2)對(duì)電纜，諧波電流可能造成線路過(guò)載過(guò)熱，損害導(dǎo)體絕緣體，同時(shí)高頻諧波可能造成集膚效應(yīng)降低電纜的額定載流，銅損急劇增加。

(3)對(duì)表計(jì)，諧波會(huì)影響表計(jì)的計(jì)量精度。從原理上進(jìn)行分析：諧波源將其吸收的一部分電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹C波發(fā)送到電網(wǎng)中去，因此電能表會(huì)將諧波能量當(dāng)作發(fā)電來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而導(dǎo)致計(jì)量誤差。對(duì)于機(jī)械式電能表還會(huì)由于高頻率諧波所產(chǎn)生的高頻渦流阻力而變慢。因?yàn)樵诟叽沃C波嚴(yán)重的情況下(例如中頻爐)會(huì)嚴(yán)重影響電能表的計(jì)量精度，導(dǎo)致莫名其妙的丟電現(xiàn)象。

(4)對(duì)精密電子設(shè)備(包括電子式電能表)，精密電子設(shè)備會(huì)被嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致不能正常工作，甚至燒毀。

(5)對(duì)設(shè)備，所有接于電網(wǎng)中的設(shè)備的損耗都會(huì)增加，溫升增加。含有電容器的設(shè)備受影響最為嚴(yán)重，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備損壞以及電容器爆炸等事故.

(6)對(duì)電機(jī)類(lèi)負(fù)荷，諧波的逆序作用而導(dǎo)致輸出扭矩下降。

(7)對(duì)控制系統(tǒng)，諧波電流會(huì)造成電壓畸變，導(dǎo)致電壓過(guò)零點(diǎn)漂移，改變了線電壓之間的位置點(diǎn)，使得控制系統(tǒng)判斷錯(cuò)誤而誤操作等。

諧波源的特性非常復(fù)雜，因?yàn)橹C波的產(chǎn)生不僅僅取決于產(chǎn)生諧波的負(fù)荷本身，還與電網(wǎng)的短路容量、電網(wǎng)的組成形勢(shì)以及電網(wǎng)中的其他負(fù)荷的性質(zhì)有關(guān)。因此濾波器無(wú)法做成定型產(chǎn)品， 必須通過(guò)技術(shù)人員對(duì)諧波源現(xiàn)場(chǎng)情況的測(cè)試，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

4 諧波的治理

通過(guò)技術(shù)人員對(duì)諧波源現(xiàn)場(chǎng)情況的測(cè)試后決定采用的10kV 自動(dòng)濾波成套裝置為3 組不等容組合，可根據(jù)功率因數(shù)定值、無(wú)功需求量依據(jù)“先投后切”的原則自動(dòng)投切濾波通道，使功率因數(shù)和諧波穩(wěn)定在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

(1)針對(duì)系統(tǒng)需求選項(xiàng)，可同時(shí)濾除3 次到7 次的諧波電流，濾波效果明顯。

(2)既能治理諧波又能補(bǔ)償無(wú)功。

(3)改善沖擊負(fù)載引起的電流沖擊，減少電壓波動(dòng)和抑制電壓閃變，提高電壓穩(wěn)定性。

(4)可提高功率因數(shù)。

(5)采用高性能真空斷路器投切各濾波支路，完善的控制系統(tǒng)，保護(hù)功能齊全，具有短路保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等，運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)單。

5 諧波治理帶來(lái)的效益

安裝諧波治理裝置后， 帶來(lái)明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益：

(1)諧波經(jīng)測(cè)試達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)能有效的就地?zé)o功補(bǔ)償，有效的降低了諧波電流，增加了變壓器的有效容量，增加相應(yīng)的帶載能力，節(jié)電率達(dá)10%～30%，減少擴(kuò)容所需的投資。

(2)有效的降低變壓器的損耗，提高變壓器的安全運(yùn)行系數(shù)， 保證對(duì)諧波敏感的保護(hù)裝置和器件不發(fā)生誤動(dòng)作，起到節(jié)能降耗的目的。

(3)平均諧波濾除率可達(dá)70%～80% 以上，減小集膚效應(yīng)，熱損、銅損、鐵損、磁損、噪音大為下降，符合國(guó)家對(duì)能源節(jié)約和降耗的指示和可持續(xù)發(fā)展的要求。

(4)有效地抑制諧波電流，提高了電壓穩(wěn)定性，用電質(zhì)量明顯改善，10kV 側(cè)滿足國(guó)標(biāo)GB/T14549-93 優(yōu)化供電質(zhì)量，進(jìn)而提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)避免因諧波造成的交流電波形畸變而造成電網(wǎng)計(jì)量具不準(zhǔn)而被當(dāng)?shù)毓╇姴块T(mén)罰款。

(5)功率因數(shù)提高到0.92 以上，使電網(wǎng)線損降低并提高配電變壓器的承載效率，力率調(diào)整費(fèi)變罰為獎(jiǎng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(6)提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，并逐步消除諧波污染，減少諧波對(duì)通信、自動(dòng)裝置、電能計(jì)量和繼電器保護(hù)的干擾。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深進(jìn)開(kāi)展，綜合動(dòng)態(tài)的諧波治理措施并同時(shí)考慮電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題，是用電企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。采取有力的抑制諧波的措施，不僅能夠改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電力品質(zhì)，同時(shí)也能延長(zhǎng)用戶設(shè)備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率，同時(shí)能不斷降低企業(yè)成本，提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。