[科普中国]-低压配电网谐波网损估计-

背景

谐波电流在电网中流过时，与同频谐波电压产生谐波功率。而谐波功率的物理意义就是谐波网损，所以增大了电网的线损，对电网的经济运行不利。

而对于电力公司来讲，“线损率”是一项重要的考核指标，这是综合反映电网经济运行管理水平和电力企业经济效益的主要指标之一，显然谐波功率的产生对“线损率”是不利的。特别是近年来，随着电力电子技术的飞速发展和人民生活质量的提高，大量的非线性负荷接入低压电网，特别是0．4 kV民用负荷。这些负荷虽然单个容量不大，但数量巨大而且分布广泛，会产生很大的谐波电流。

0.4 kV侧的相电流谐波含量基本都在5%～20%之间，个别高达40%。中性线中的谐波含量更是在90%以上，有些甚至高达200%。这些非线性负荷发出的谐波功率大部分消耗在低压网络，真正从低压电网馈入高压电网的只占很少一部分，所以准确地分析计算低压配电网的谐波网损，对于电力公司制定节能降耗的措施非常重要。

事实上，围绕电网中谐波网损的分析计算，在国内已开展了广泛的研究，但是罕见有关电网或者配电网谐波网损的全面分析论述。1

谐波网损估计方法谐波功率除了对供热用的电热外，无任何效益，只是以发热的形式在传输过程中各环节及用电设备中消耗掉。所以谐波功率实质上就是因谐波而产生的线损一谐波网损。为了对电网的谐波网损进行估计，设电流谐波总畸变率强，为：1

在不考虑集肤效应的情况下，线路电阻为定值。则无谐波电流时线路损耗为，而有谐波电流时线路损耗为：

所以线损增加率为：

因此，如果总谐波含有率为30%，那么线损就会增加9%。这是在不考虑高次谐波集肤效应引起电阻增加情况下的谐波线损估计。2

此方法在理论上是完全正确的，对谐波网损的估计也是相当确切的，但是其结果仅是一个比例数字而且以很难确定的基波网损为基准，难以算出具体数字。另外在实际电网中，各相的电流畸变率并不相同，甚至相差极大。此时上述方法可以计算各相的线损增加率，但是从全网的角度出发，难以对全网或配电网的谐波网损做出估计。尤其是在三相四线制配电网中，中性线线损在配电网总损耗中占很大的比例，通过我们的测试数据计算结果很好地反映了这一点。

而上述方法不能够全面准确地计算中性线的线损，进一步表明了利用电流畸变率在估计全网谐波网损方面的不足。而等值电阻法则完全可以对全网或配网的谐波网损进行估计计算，虽然计算上不如上述方法简单以及由于考虑的谐波次数有限可能有些误差，但是随着谐波次数的增加，谐波电流甚至递减到可以忽略不计，由此形成的误差在允许范围内。3

等值电阻法的原理等值电阻法是一种成熟的网络损耗计算方法。它把配电网电流通过元件的有功损耗视为通过“配电网线路等值电阻。”和“配电变压器等值电阻”所产生的有功损耗。全网在某时段内的功率损耗，就等于某时段内的均方根电流的平方与这些等值电阻之积。即：

在不考虑谐波集肤效应，认为线路和变压器等值电阻为一个常数的情况下，完全可以用等值电阻法计算全网或配电网的谐波网损。

电网谐波网损分析计算用美国FLUKE公司的示波表，在几个0.4 kV配电网进行了实地测量，测试数据如表1、表2、表3所示。4

|| || 表1 某银行大楼谐波测试数据

注：测试过程中由于各种原因造成了9、11谐波数据的缺失，表2中的7次谐波数据如同。

|| || 表2 某供电局大楼谐波测试数据

|| || 表3 某商场谐波测试数据

以表1某银行大楼配电网谐波测试数据为例，用等值电阻法分析计算配电网的谐波网损。简化的等效电路如图1所示。

图中，、和、分别是10 kV侧和0.4 kV侧的线路电流和线路阻抗。

此配电网变压器型号SCBl01600/10，按照设计手册的参数计算得变压器归算至0.4 kV侧的电阻为：

Ω。0.4 kV侧所选导线型号为1000V聚氯乙烯，导线截面120mm2，R=0.169 Ω/km。中性线型号为1000V聚氯乙烯，导线截面50mm2，R=0.407 Ω/km。根据配电网实际情况0.4 kV侧线路长度取为0.2 km，二次侧中性线长度也为0.2 km，则相线和中性线的电阻分别为：

根据上述等效电路参数及所测数据计算得谐波网损如表4所示。(说明：表4中的各功率百分比是以配电网总损耗为基准；图2中各次谐波功率百分比是以配电网中的总谐波损耗为基准；下同。)

|| || 表4 某银行大楼配电网谐波功率

注：表中PN一中性线线损：Ph一总谐波功率；P一配网总损耗；PL一同功率线性负荷功率损耗。

我们可以对此配电网的谐波网损做一个预算，由表4可知谐波引起的总功率损耗为4803.38 W。那么此配电网一年由谐波引起的电量损失为42077.6lkwh，按照每千瓦时电量0.5元计算，仅此配电网一年损失的电费将达21038.81元，而对于全国电网来说有数以万计的这种低供低计的低压民用负荷配电网，可见由谐波引起的电网损耗是一个多么惊人的数字。而这部分损耗往往由供电公司来承担，所以应对这部分损耗采取有效的计费方式。1

总结实际配电网的谐波网损得到以下结论：

(1)电网中各次谐波功率均为正值，说明整体上电网是吸收谐波功率的。且电网中各次谐波功率随着谐波次数的增加呈现递减趋势。

(2)配电网谐波网损占总网损的3.5%左右，个别高达7.8%。这部分损耗往往由电力公司来承担，这是不合理也是不公平的，所以应对这部分损耗采取有效的计量和计费方式。

(3)配电网中三次谐波功率占到谐波功率的70%～96%，所以消除三次谐波对于降低谐波网损来讲是至关重要的。

(4)通过上面的分析计算可知，在三相四线制配电网中，中性线线损占总网损的很大比例。这虽然主要是由谐波引起的，但还是应该在治理谐波的基础上合理地选择中性线，尽可能地减少中性线线损，这对于节能降耗非常重要。

(5)在非线性负荷情况下，电网需要向配电网多输送3.5%甚至更多的电能才能满足需求。1