李超平

（广东电网有限责任有限公司江门新会供电局，广东江门 529100）

0 引言

随着人们生活水平的提高，生活中的谐波设备不断增加，电动汽车直流充电桩的普及，城市公共电网中谐波含有率增加[1]。另一方面，智能制造概念兴起，多种直流控制设备、变频设备引入工业生产流程，使得工业园区公网谐波含有率大幅攀升。

过高的谐波含有率不仅影响电气设备正常工作，严重时还会引起电气火灾。电网运行中出现过多起，由于用户设备注入谐波电流引起同一公共连接点其他用户设备烧毁的情况。因此，对用户向公网注入谐波电流的防控与治理已日渐成为配网运维的突出问题。

根据《供电营业规则》第55 条的规定：电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T 14549—1993 的规定。用户注入电网的谐波电流影响公共连接点其他用户的正常用电且无法消除，供电企业可中止对其供电[2]。

在实际运行中，对用户谐波电流越限取证较为困难，由于谐波发生时间的不确定性，判定过程较为复杂，甚至与电网公共连接点短路容量、各用户在该接入点的协议容量等电网参数有关。应用一般的谐波测量设备通过蹲点的方式取证将耗费大量人力，且不一定能够取得理想效果。因此，开发一款全天候监测用户谐波电流、就地分析判定、远动控制开关分合的设备，成为电管企业的迫切需求。

1 谐波的成因与危害

电网基波为50 Hz 的工频正弦波，因而较容易产生奇数次谐波，一般的电网中奇数次谐波数值较大，而偶数次谐波则多为带有绕组的设备磁路饱和所致，如变压器合闸涌流、电机定子磁路饱和等。在实际生产运行中，用户谐波产生的来源有：电弧加热设备，在燃弧过程中电弧电阻的非线性变化引起的谐波，如电弧炉、电焊机等；交流整流的直流用电设备，晶闸管在高速切换通断状态形成的谐波，如电力机车、电解、电镀、直流电机等；交流整流再逆变的用电设备，如变频器等；开关电源设备，如彩电、电脑等；照明设备、通信设备、日常用电设备等均为谐波源。

在低压配电线路中，3 次及3 的倍数次谐波的危害最为突出。原因是在三相四线制配电线路中，N 线电流为A、B、C 相电流的叠加，正常情况下N 线电流叠加值为零，其他次谐波汇入N线也会因相位不同而部分相消，表现为N 线电流绝对值不会特别突出。然而三相相位相差120°，3 次谐波电流叠加在N 线上相位重叠，3 次谐波电流为相线的3 倍。因此，在零线中线径选取不当，则容易因3 次谐波电流越限引起过流烧毁。或因零线电流比相线大，零线电压降高于相线，导致用户设备电压不足，用电设备工作在不正常状态，严重时可能烧毁电气。

而在配变中，谐波电流除会导致低压N 接线柱的异常发热外，谐波电流在变压器绕组中产生的磁滞涡流，使得变压器局部发热异常，导致配变铜损与铁损同时增大。同时，过热的工作环境会引起变压器绝缘材料加速老化，因而危害配变的安全运行，缩短设备寿命。

电力电容器多为三角形接线，流过电容器的电流主要为电容器容抗决定，而容抗值与系统电压频率成反比。过高的谐波电压导致容抗降低，流过电容器的电流大幅上升，容易烧毁电容器。

2 越限判定

2.1 谐波电流的测量

电力系统在不同运行方式下注入等量谐波电流，谐波的影响不同，因而测量谐波电流应在配电系统最小运行方式下、谐波设备注入最大谐波电流的工作状态下采集谐波信息。对于负荷变化快慢不同的谐波源测量方式也应有所区分。对于变化快的谐波源，可增加测量次数、减小测量间隔；对于变化慢的谐波源，测量间隔和持续时间不做规定。

2.2 低压配电网谐波电流允许值的计算

若以配变低压母线为公共连接点，须按该低压母线最小短路容量与基准容量进行换算，换算结果与表1 中谐波电流运行值比较，大于表1 数值即为谐波电流越限，容量换算公式[3]：

表1 注入低压母线允许谐波电流允许值

其中，Sk1为公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2为基准短路容量，MVA；Ihp为第h 次谐波电流允许值（表1），A；Ih为短路容量为Sk1时的第h 次谐波电流允许值，A。

若以台区已投运的配变容量作为供电设备容量，某一用户谐波电流允许值按该用户与电网企业签订的协议容量与该用户所属台区投运的配变容量进行分配，分配换算公式[3]：

其中，Ih为基准短路容量下第h 次谐波电流允许值，A；Si为某用户的协议容量，MVA；St为已投运的配变容量，MVA；ɑ 为相位迭加系数，按谐波次数取值（表2）。

表2 ɑ 相位迭加系数按谐波次数取值

判别式中公共短路容量、设备容量、用户协议容量等涉及电网参数、经营等数据，因而谐波电流允许值须根据实际情况计算，通用的谐波测量设备难以满足实际应用需求。

3 系统设计

本次研制的谐波监测仪，前置数据采样应用外置高速数据采集卡的成熟方案，对用户接入点交流模拟量进行高速采集，通过数据接口传送至人机交互平板电脑（图1）。人机交互界面可录入电网参数短路容量、设备容量、用户协议容量等，并内置基准容量下的谐波电流允许值。当各次谐波电流值采集完毕，经容量换算后与谐波电流允许值进行比对，如谐波越限即发出声光报警，对该时刻下电流进行录波，保存该用户越限证据，同时发信至后台通知运行人员，也可选择发送跳闸信号至该用户进线断路器，断开公用电网与谐波发生设备的连接。设备工作流程见图2。

图1 人机交互界面

图2 设备工作流程

本次开发选用NI PCIe-6321 数据采集卡、工程通用平板电脑及附加电路搭建而成。平板电脑附带SIM 卡槽，用于远程通信，并带有开关量输出端口。

NI PCIe-6321 数据采集仪具备丰富的硬件资源，且软件兼容性极好，可设置高级定时和触发，配有NI-STC3 定时和同步技术；支持Windows 7/Vista/XP/2000 操作系统。

4 应用测试

目前，已在工业用电台区的重点用户接入点处、照明台区计算机中心接入点处安装多台远程谐波开展试运行分析，并在越限影响较大的公共接入点投入跳闸信号连片。测试期间，仪器运行情况良好，提供连续长时间的谐波监测数据，未见误判、误动、拒动等情况。越限录波的功能为谐波整治工作保留了证据，使谐波越限用户及生产运维人员对谐波问题引起重视。

部分协议容量较大的用户已计划采取调整生产设备的运行方式、加装有源或无源滤波器等措施，以减少向公网注入谐波电流。而生产运维人员也调整系统运行方式，合理增大公共连接点的短路容量，提高谐波电流允许值，并对谐波含有率高的台区设备健康度进行重新评估。

总结课题小组及营销、运维一线人员使用过程中的经验，编制谐波监测仪《使用操作手册》《使用说明》。关于该谐波监测仪的其他应用深度发掘仍在进一步探讨中。

5 结束语

谐波监测仪的研制弥补了低压配电网用户谐波越限查处的空白，为低压谐波污染的综合治理提供可行的方案。新设备的引入，为低压电网的谐波治理提供了新方法和新思路。出现某用户因谐波越限侵害其他用户权益的情况，电网运维单位可依据预先装设好的谐波监测设备录波作为证据，协助谐波受害用户依法索赔。通过新工作方法，电网企业可以督促有谐波越限风险的用户更加重视设备谐波越限的问题，及时开展整改方案，提前防范谐波对电网带来的危害。该设备在低压配电网谐波设备越来越多的大环境下，可预见未来有越来越广阔的前景。