覃巍，杨凯，郭晓艳，赵昱如，朱平

（国网陕西电力公司安康供电公司，陕西 安康 725000）

输配电工程系统、非线性用电设备、电源质量较低这3个层面是产生谐波的主要原因。在制作发电机三相绕组和铁心时，这两者之间是很难达到绝对对称的和高度一致的，还会出现一些其他的影响因素，导致发电系统的谐波产出量减少，并不是关键的谐波源，但是，在输电和配电的电力网络中，谐波的主要生产者是磁性材料构成的电力电子变压器等一系列装置，因为非线性是该仪器磁体具体的曲线变化，在运行过程中，该仪器的铁心部位就会饱和，并且经济条件是在设计电力变压器时首先考虑的一个因素，这也就意味着接近饱和区域是电力变压器磁化曲线磁密工作最后停留的区域。

因为各种原因，尖顶波形是磁化电流的最终形态，然后奇次谐波会一直存在于系统中。磁路结构、电力变压器铁芯的饱和程度会对奇次谐波的大小产生影响，0.5%的额定电流是在电力变压器中，三次谐波电流都可以达到该额定电流。由于电力用户大量使用非线性和冲击性负载引发了谐波，在电力流向非线性和冲击性的负载条件下，电流会产生畸变，从而引起电力谐波。

1 谐波电流产生的途径

基波以及各次谐波相加的和便是电压和电流，所以它们的基波和各次谐波含量都是通过傅里叶分解理论得来的。而且同种电源并不能分解成为电流和电压。通常情况，电力网络中的冲击性和非线性负载还有一些非线性器件共同组成了谐波含量成分，从这里我们可以知道，系统中的谐波阻抗等同于发电机中的阻抗，谐波源也可以等同于其他类型的非线性负载。两个方面共同组成了电网中的非线性负荷。在这其中，非线性元件是电网本身就具有的一种元件，并且谐波电流可以从这些元件中产生，有以下几种元件。

（1）晶闸管。移相控制策略是晶闸管整流的主要手段，晶闸管吸收有缺角的正弦波的场所是电力系统，那么电网中就不会含有谐波，而是会产生具有缺角的正弦波。

假设单相整流电路是整流装置的电路运行模式，那么，奇次谐波电流就会包含在感性负载中，基波中的30%就是三次谐波的整体含量；整流滤波为家用电器、电源制品、电子控制电路、依靠马达的变频调速器以及日光灯等电力电子电路以及电池电路提供了可以保持其正常工作的直流电源。所以，整流滤波电路是谐波的主要来源。相关数据指出，能够生产出最大谐波源的装置就是整流装置，其中有40%的谐波都是整流装置产出的。

（2）变压器和电抗器。在国家电网里，产生谐波的装置是变压器。主要是因为变压器的组装使用的都是一些含有非线性磁性的材料，并且变压器的变压容量比一般容器要高出很多。磁饱和非线性增大了励磁电流，那么，电流波形就会发生更严重的畸变。额定电流的6～8倍是电抗器和变压器处于饱和状态时合闸涌流可以达到的电流标准，在这一时期内，高次谐波和非周期分量是这种电流的主要组成部分。

（3）变频装置。相位控制原理可以让变频装置大量投入实际工作中使用，这样变频装置产生的谐波的复杂性就会增强。整数的次谐波、分数次谐波都包含在变频装置中。因为这种变频装置的功率要比其他装置的功率高出很多，所以变频装置的谐波污染程度也会更高。

2 谐波监测装置的设计

2.1 装置主要功能

电压谐波在线监测装置直接从PT二次侧取三相和零序电压信号。电压谐波在线监测装置可以同时监测三路相电压和一路零序电压信号。电压谐波在线监测装置通过4G/5G无线通信系统同系统平台软件进行通信。该装置主要功能，如表1所示。

表1 装置主要功能表

谐波在线监测分析装置广域同步采样的设计和实现。为了能够更好地分析电压熔断器熔断的原因，需要引入多个不同位置的在线监测分析装置的录波数据进行分析，这就要求不同位置的在线监测分析装置的采样数据必须精确同步，同步误差越小，分析准确性越高。

2.2 硬件电路抗电磁干扰设计

硬件电路的电磁干扰设计对于整个装置的安全稳定运行至关重要，如果电磁兼容性不好，装置的电子系统就会受到极大的电磁干扰并造成有害能量持续传播，最终直接影响装置的运行稳定性和安全性。一般情况下，硬件电路所承受的电磁干扰共有两类，一类是外部干扰，一类是内部干扰。这里面内部干扰的危害性最大，直接影响电子信号传输的效率，而外部干扰则会直接影响电池发射的效率。

为了改良硬件电路板的抗电磁干扰性能，本次设计主要考虑以下几个方面。

（1）电路板接地线设计。电路板的地线设计是首要考虑的，主要是为了避免电磁干扰，确保电位的稳定性和均衡性。如果地线的设计不合理，那么出现设备故障的可能性就会大大增加，因为电路的基准电位就是地线处的电位，该电位一旦不稳定，尤其是忽上忽下地飘，那么极易出现电磁干扰，直接影响设备装置的安全稳定运行。

（2）线路板设计。在抗电池干扰时，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路抗干扰性能和散热性能。

（3）滤波器设计。我们需要制定最优滤波器的方案。增设滤波器主要是为了消除导线中的电磁干扰进而避免这些信号影响设备的安全稳定运行。这是由于不同导线在外界干扰的大环境下接受电磁干扰信号，成为一个大的污染源，进行滤波设计最主要的目的就是能够削弱电磁干扰带来的负面影响。

（4）屏蔽设计。有时候，针对高频辐射电路，仅通过单一的地线或者电路板设计无法很好地实现抗干扰的效果，因此需要对设备进行屏蔽处理，对表面进行导电氧化处理，达到电磁抗干扰的目的。

2.3 谐波在线监测装置软件设计

所研发的谐波在线监测装置可实时计算所监测电气量特征及突变量，只要所监测电压电流的变化量超过设定门限及将突变时刻前后（一般为前4后16个周波的波形）发送至后台软件供进一步的分析。可用于故障分析、瞬时过电压分析、瞬时性谐波分析及其他异常情况分析等。其软件开发时序图，如图1所示。

图1 谐波采集装置软件时序图

当监测设备正常运行时，以1小时为1周期频率，将监测的数据，传送至数据中心，并完成反馈数据的接受。该软件具有自检功能，运行稳定可靠。

3 PT熔断器频繁熔断的处理建议

由于电磁式电压互感器铁磁谐振现象具有多样性和频发性，能够找到切实有效的抑制铁磁谐振的措施是十分必要而紧迫的，为此近年来相关领域的专家做了大量的理论研究和实验分析。综合来看，一般抑制谐振的措施可以分为两大类。

3.1 通过改变系统参数消除谐振

我们可以将变电站看成一个电感L，变电站出线所带的用户可以看成是电容C，正常在工频情况下，WL和1/WC不会相等，若相等就满足了谐振条件，电感的能量和电容能量就会不断转换，他们中间会流过大量谐振电流，这显然是不可能的；但是，若发生了故障，这个系统就会从稳态向暂态过度，根据楞次定律，为了维持系统回到稳态过程，就会产生一个抑制它变化的反向磁通，这个反向磁通一分解就是直流分量和高频分量，也就产生了谐波。我们如果能改变L或者C的值，让他们不满足产生谐振的条件即可，但这样在实际操作中不可能实现。

3.2 消耗谐振能量

加装阻尼和控制环流，如高压侧经阻尼电阻接地，二次侧开口三角形加装阻尼电阻等。在发生谐振时，谐振能量在阻尼元件作用下会快速消耗，从而破坏谐振条件，达到目的。

（1）高压侧经阻尼电阻接地。这个也就是一次消谐，即在PT回路串接一个对频率敏感的电阻，这个电阻在工频情况下电阻为0，一旦有高频分量，他就会变成无穷大电阻将回路阻断，保护设备，这个高频分量具体是多少就涉及消谐装置的选型，看消谐区是20次还是40次还是60次。具体选择什么样的消谐区是我们上一阶段说的谐波监测装置给我分析出来的，比如，捕捉的波形一分解发现最高谐波是34次，那么消谐区选择40次谐波的就完全可以。该方法能很好地抑制谐振现象，目前工程首选此方式。

（2）开口三角形加装阻尼电阻。二次消谐装置是在PT二次回路并接一个阻尼电阻丝或者灯泡钨丝，其原理就是发生谐振通过这个电阻不断消耗能量直到谐振结束，相比一次消谐其缺点就是无法监测其好坏，因为只有发生谐振这个灯泡流过电流才会亮，平常没有谐振不亮，就给运维人员监控带来难度。

（3）高压侧经单相PT接地。在原三相PT高压侧中性点处接入一单相PT，利用单相PT作为零序PT来分担零序电压，进而使原三相PT不容易工作在饱和状态的方法消除谐振。高压侧经单相PT虽然可以有效地缓解三相的饱和程度，但能力有限，一旦这个单相也饱和，产生的谐振会更加麻烦。此外，闭合的三角形零序回路中难免有大的环流存在，对三相的安全造成隐患，且设备投资大，安装困难，实际应用较为困难。

4 现场实验数据分析

试验人员赴某厂站热处理分厂利用谐波在线监测装置开展电能质量分析测试，试验从早晨10:00开始持续测量，其间运维人员通过启动2#加热炉观察录播波形，然后，依次启动3#～5#加热炉令炉膛温度达到150℃，稳定30min继续监测波形并记录试验数据，随后依次断开2#～5#加热炉，整个试验过程持续2h。

根据国标要求，测试结果均按照95%值判定合格与否，某厂站35kV开关柜所测数据谐波含量已超标，谐波总含量A相44.7%，B相43.2%，C相40.1%，从装置界面可以发现5次、11次、13次和17次谐波含量超标，达到了本次实验的目的，实验结论如下。

（1）试验过程中发现，当所有炉子全部启动晶闸管控制器根据温度开始调节触发角时，波形出现毛刺，证明晶闸管电力电子原件为产生谐波的主要原因，下一步需要将电力电子元器件与主变压器之间采取隔离措施。

（2）当所有炉子启动时，功率因数下降明显，证明系统无功被电力电子元器件消耗，产生短时的无功缺口。下一步需要增设小型滤波器原件与无功补偿元器件，以补偿晶闸管在换相过程中所消耗的无功，确保电能质量达标。

5 结语

本文主要通过研制的谐波监测装置在现场的实际应用着手，进一步验证了其采样的稳定性，录波的实时性和数据分析的正确性。通过现场挂网运行的谐波在线监测装置可有效录取熔断器熔断时刻的波形，装置通过捕捉波形特征并跟典型波形库对比得出谐波超标的含量，同时，通过专家诊断系统提示运维人员可能出现此现象的原因，最后，根据理论研究的结论给PT熔断器频繁熔断提供了处理建议，有极大的参考意义。