1 無(wú)功電量的概念

在平穩直流狀態(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，則功率由下式來(lái)進(jìn)行計算：

當電網(wǎng)中的負荷含有電抗成分(通常為感性成分)或者負荷具有非線(xiàn)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的概念。功率因數的英文全稱(chēng)是Power factor，簡(jiǎn)稱(chēng)PF。PF 是一個(gè)無(wú)量綱的小于1 的實(shí)數。

當電壓與電流用有效值表示并引入功率因數時(shí)，則功率由下式來(lái)進(jìn)行計算：

當系統中沒(méi)有諧波時(shí)，功率因數就是電壓與電流相位差φ 的余弦函數即：PF = cosφ。于是功率的表達式可寫(xiě)為：

P=U×I×cos

引入了功率因數的概念以后，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(zhù)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)系統計量過(guò)程中，還經(jīng)常使用有功電量與無(wú)功電量來(lái)計算功率因數，由于有功電量相當于有功功率對時(shí)間的積分，無(wú)功電量相當于無(wú)功功率對時(shí)間的積分，因此這樣的計算結果相當于功率因數在一個(gè)計量周期的平均值。

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)當系統中含有諧波時(shí)，用cos 來(lái)表達功率因數會(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 )大量增加系統的銅損，降低線(xiàn)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(這里強調交流連接的原因是因為直流輸電線(xiàn)路不傳遞無(wú)功，因此用直流輸電線(xiàn)路連接的若干電網(wǎng)可以分開(kāi)為各自獨立的電網(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)中的設備性質(zhì)決定的。電網(wǎng)中絕大部分發(fā)電機均為同步發(fā)電機。同步發(fā)電機在激磁電流不變時(shí)輸出的無(wú)功電流與輸出電壓成反比，即：隨著(zhù)輸出電壓的減少而輸出無(wú)功電流增加，反之，隨著(zhù)輸出電壓的增加而輸出無(wú)功電流減少。而電網(wǎng)中大部分負荷所吸收的無(wú)功電流與電壓成正比。因此，當電網(wǎng)中沒(méi)有補償裝置時(shí)，負荷吸收的無(wú)功功率就全部要由發(fā)電機來(lái)提供。如果系統的無(wú)功不足，電壓就會(huì )下降，電壓下降以后，負荷吸收的無(wú)功減少，發(fā)電機發(fā)出的無(wú)功增加，從而保持無(wú)功的平衡。反之，如果系統的無(wú)功過(guò)剩，電壓就會(huì )升高，電壓升高以后，負荷吸收的無(wú)功增加，發(fā)電機發(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。當系統中的無(wú)功嚴重不足，就會(huì )導致電壓急劇下降，電壓下降導致發(fā)電機發(fā)出的無(wú)功電流急劇增加，這時(shí)，如果某1 臺發(fā)電機由于電流過(guò)載而解列退出電網(wǎng)，則無(wú)功更加不足，如此連鎖反應，會(huì )導致電網(wǎng)崩潰的大事故。所以在電網(wǎng)中設置一些無(wú)功補償裝置來(lái)補充無(wú)功功率，以保證用戶(hù)對無(wú)功功率的需要和用電設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)對企業(yè)35kV 客戶(hù)功率因數標準一般為0.9，因此、對于我們用戶(hù)來(lái)講，總是希望盡量提高功率因數，減少無(wú)功，減少無(wú)功的方法就是無(wú)功補償，使負荷所吸收的無(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罰款，相反、還能獲得獎勵。

3 諧波的產(chǎn)生及危害

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

3.1 諧波的概念

當電網(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(chēng)之為諧波。當諧波頻率為工頻頻率的整數倍時(shí)，我們將其稱(chēng)之為整數次諧波，這類(lèi)諧波通常用次數來(lái)表示。例如：將頻率為工頻頻率5 倍(250Hz)的諧波稱(chēng)之為5 次諧波，將頻率為工頻頻率7 倍(350Hz)的諧波稱(chēng)之為7 次諧波，依此類(lèi)推。當諧波頻率不是工頻頻率的整數倍時(shí)，我們將其稱(chēng)之為分數諧波。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(xiàn)性負荷而產(chǎn)生諧波，例如可控硅整流器、開(kāi)關(guān)電源等， 這一類(lèi)負荷產(chǎn)生的諧波頻率均為工頻頻率的整數倍。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)是由于逆變負荷而產(chǎn)生諧波，例如中頻爐、變頻器，這一類(lèi)負荷不僅產(chǎn)生整數次諧波，還產(chǎn)生頻率為逆變頻率2 倍的分數諧波。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 的分數諧波。

諧波在電網(wǎng)誕生的同時(shí)就是存在的，因為發(fā)電機和變壓器都會(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)越嚴重，逐漸引起人們的重視。

3.3 諧波造成的危害

當電網(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(chēng)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(chēng)THDu。按照國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規定：10kV 電網(wǎng)的THDu 應小于4%，400V 電網(wǎng)的THDu 應小于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，并增加供電系統的銅損，通常不會(huì )影響用戶(hù)，也不會(huì )影響計量精度。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)中的設備與負荷均會(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)有補償的情況下會(huì )一直傳送到發(fā)電機，而諧波電流通常全部被電網(wǎng)中的設備與負荷吸收掉。

當電網(wǎng)的諧波污染程度小于國家標準的規定時(shí)，通常不會(huì )對系統造成影響。隨著(zhù)污染程度的增加，諧波的影響就逐漸顯現出來(lái)。在諧波嚴重超標的情況下，如果不進(jìn)行諧波治理，往往會(huì )產(chǎn)生很?chē)乐氐暮蠊?

諧波造成的危害大致如下：

(1)對變壓器，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)對電纜，諧波電流可能造成線(xiàn)路過(guò)載過(guò)熱，損害導體絕緣體，同時(shí)高頻諧波可能造成集膚效應降低電纜的額定載流，銅損急劇增加。

(3)對表計，諧波會(huì )影響表計的計量精度。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 )將諧波能量當作發(fā)電來(lái)進(jìn)行計算，從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會(huì )由于高頻率諧波所產(chǎn)生的高頻渦流阻力而變慢。因為在高次諧波嚴重的情況下(例如中頻爐)會(huì )嚴重影響電能表的計量精度，導致莫名其妙的丟電現象。

(4)對精密電子設備(包括電子式電能表)，精密電子設備會(huì )被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。

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

(6)對電機類(lèi)負荷，諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。

(7)對控制系統，諧波電流會(huì )造成電壓畸變，導致電壓過(guò)零點(diǎn)漂移，改變了線(xiàn)電壓之間的位置點(diǎn)，使得控制系統判斷錯誤而誤操作等。

諧波源的特性非常復雜，因為諧波的產(chǎn)生不僅僅取決于產(chǎn)生諧波的負荷本身，還與電網(wǎng)的短路容量、電網(wǎng)的組成形勢以及電網(wǎng)中的其他負荷的性質(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)人員對諧波源現場(chǎng)情況的測試，然后根據現場(chǎng)測試結果進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設計。

4 諧波的治理

通過(guò)技術(shù)人員對諧波源現場(chǎng)情況的測試后決定采用的10kV 自動(dòng)濾波成套裝置為3 組不等容組合，可根據功率因數定值、無(wú)功需求量依據“先投后切”的原則自動(dòng)投切濾波通道，使功率因數和諧波穩定在適當的范圍內。

(1)針對系統需求選項，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償無(wú)功。

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

(4)可提高功率因數。

(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，保護功能齊全，具有短路保護、過(guò)壓保護、過(guò)流保護等，運行可靠，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)濟效益和社會(huì )效益：

(1)諧波經(jīng)測試達到國家標準要求，同時(shí)能有效的就地無(wú)功補償，有效的降低了諧波電流，增加了變壓器的有效容量，增加相應的帶載能力，節電率達10%～30%，減少擴容所需的投資。

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

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

(4)有效地抑制諧波電流，提高了電壓穩定性，用電質(zhì)量明顯改善，10kV 側滿(mǎn)足國標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)計量具不準而被當地供電部門(mén)罰款。

(5)功率因數提高到0.92 以上，使電網(wǎng)線(xiàn)損降低并提高配電變壓器的承載效率，力率調整費變罰為獎，經(jīng)濟效益明顯。

(6)提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行水平，并逐步消除諧波污染，減少諧波對通信、自動(dòng)裝置、電能計量和繼電器保護的干擾。

6 結束語(yǔ)

隨著(zhù)我國電能質(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)功功率補償問(wèn)題，是用電企業(yè)當前面臨的一大課題。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(cháng)用戶(hù)設備使用壽命，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)競爭力。