电力系统谐波危害及治理浅析

【摘 要】对电力系统中谐波的产生及其危害作了较全面的分析，对其抑制提出了具体可行的解决措施。

【关键词】谐波；产生；危害；抑制；滤波

1 引言

理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是这种理想状态在实际中无法存在，如今广泛使用的用电设备大部分是非线性的，如开关电源、整流器、节能灯、变频电机等，随着各种阻感负载和新型电力电子装置的大量应用，这些非线性负载会给电网注入大量谐波，使电网电压产生畸变。还有冲击性和波动性负载，如电弧炉、焊接设备等不仅会在运行中产生大量的高次谐波，而且引起电压波动和闪变。谐波污染会对电网和用户产生严重危害，必须引起我们的高度重视，现就电力系统中谐波的产生、危害及抑制谈一些我个人的体会。

2 谐波的产生

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，导致电路中有谐波产生。对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，使电网电压、电流波形不同程度畸变成非正弦波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。

电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。

2.1 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

2.2 在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波：

2.2.1 晶闸管整流设备。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，在留下部分中含有大量的谐波。由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，采用晶闸管整理的常见设备有充电装置、开关电源电力机车等。

2.2.2 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波。

2.2.3 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。

2.2.4 气体放电类电光源。荧光灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。这类电光源的伏安特性非线性十分严重，它们会给电网造成奇次谐波电流。

2.2.5 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

3 谐波的危害

谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

3.1 对电网和供配电线路的危害：

3.1.1 影响电网的质量。谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

3.1.2 影响线路的安全运行。三相配电线路中，相线上大量的3次谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流，使线路过热甚至发生火灾。还会因肌肤效应造成线路的电阻变大，线损也相应增加。

3.2 对电力设备的危害：

3.2.1 缩短电力电容器的寿命。谐波会使电容器损耗功率增加,导致电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化，严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

3.2.2 谐波电流使变压器的铜损和漏磁增加，减少其实际使用容量。另外还使变压器噪声增大，温升提高。

3.3 对用电设备的危害：

3.3.1 增加电动机的附加损耗，降低机械效率，功率因数下降，有效转矩减小，严重时使电动机过热。

3.3.2 影响断路器的使用性能。断路器的额定电流会因谐波而降低，产生误动作。

3.3.3 对邻近的通信系统产生干扰，产生感应电磁场，降低通信质量。

3.3.4 导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

4 谐波治理

抑制和消除谐波是提高电能质量，保证用电设备安全可靠运行的重要手段，可采取滤波、串联电抗器、采用绿色变频器来减少谐波源等技术手段。

4.1 无源滤波器

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中。以最常用的单调谐滤波器为例，如图1所示，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次谐振点上，则对于该次谐波，滤波器阻值有最小值，谐波电流ｉLｈ全部流入该支路，从而达到消除谐波的目的。同时，无源滤波器还能补偿一定数量的无功。

可见，无源滤波器是改变其在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定的供电系统，安装在6KV/10KV/35KV母线侧，能够将谐波电流大部分吸收。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点,但它也存在如下主要缺点:

4.1.1 只能抑制固定的几次谐波,并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；

4.1.2 只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载不能进行精确补偿;

4.2 有源滤波器

有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它实际上就是一个理想谐波源，针对系统谐波相位，大小，即时产生与谐波反相的谐波注入系统以抵消该次谐波，达到滤波的目的。其工作原理如图2所示。

有源滤波器工作主要分为谐波检测、控制和逆变三个部分，系统由指令运算电路和补偿电流发生电路组成。图3中US表示交流电源，负载为非线性负载。指令运算电路从负载电流ｉl中分离出谐波电流分量ｉLｈ，然后将其反极性后产生补偿电流指令信号ｉb＝-ｉLｈ，电流跟踪控制电路计算出该信号的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流ｉｃ

由于ｉｃ≈ｉｂ，所以ｉｓ＝ｉL＋ｉｃ＝ｉL＋ｉｂ＝ｉL-ｉLｈ

可见谐波电流分量已被消除，如果还要进行无功补偿，则从负载电流ｉL中再分离出基波无功电流分量ｉLｑ即可。

有源滤波器可以在电网的任意点接入,采用并联接入是最常见的方式，可以在配电系统的电力侧和用户侧分级装设有源滤波器实现全面位保护。如图3所示。

有源滤波器与无源滤波相比,有如下显著的特性：

4.2.1 可同时对谐波和无功进行补偿，并实现了动态补偿。

4.2.2 不受电网系统阻抗影响，不会和电网阻抗发生谐振。

4.2.3 可滤去谐波次数高达50 次。

4.3 串联滤波电抗器

为避免电容因谐波电流造成本身的损坏与电网谐波扩大，常采用串联电抗器的方法来抑制谐波。电抗器阻抗与电容器容抗全调谐后，组成某次谐波的交流滤波器。滤去某次高次谐波，而降低母线上该次谐波的电压值，使线路上不存在高次谐波电流，提高电网的电压质量。

根据监测出来的电网谐波情况选择电抗器的百分电抗值，含有3次谐波配置13%的电抗器，含有5次谐波配置6%-8%的电抗器，4.5%--6%的电抗器可以覆盖7次以上谐波。应注意的是，应按检测出来的谐波特性选择电抗器，否则不但不能抑制谐波，反而会使谐波扩大。

4.4 其它措施

4.4.1 增加变压器的容量，减少回路的阻抗。

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流流过，因此，可采用提高变压器容量，加大电缆截面积，减少回路阻抗的方式来降低谐波的影响，但此种方式不是从根本上消除谐波，掩盖了问题，增加了供电系统的隐患。

4.4.2 使用无谐波污染的绿色变频器。

绿色变频器的输入和输出都是正弦波，输入功率因数可控，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压的尖波。采用绿色变频器等新型电力电子装置能从源头上控制谐波源，根本上解决谐波问题。

5 结语

随着各种电力电子装置的迅速应用和发展，使得公用电网的谐波污染日趋严重，给供配电线路、电力设备等带来危害，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。治理谐波有多种办法，无源滤波及串联电抗器虽然滤波效果不很理想，但简单便宜；有源滤波提供一种最有效的从电网中清除谐波的方式，可滤去谐波的次数高达50 次,但价格较贵；还可从源头上控制谐波，开发使用无谐波污染的绿色变频器等电力电子装置。

以上是我对电力系统谐波的危害和治理的一些看法，认识较粗浅，供大家参考。

参考文献：

[1]吴竞昌，供电系统谐波，北京：中国电力出版社，1998

[2]杨斌文，电力系统中谐波的抑制方法，电气时代，2002

[3]王兆安，杨君，刘进军，谐波抑制和无功功率补偿，北京，机械工业出版社，2006

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