电力谐波的危害及抑制治理

[摘要]谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商。谐波已引起人们的高度重视，国际电工委员会（IEC）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求，我国于1993年颁布了限制电力系统谐波国家标准G13／T14549-1993《电能质量公用电网谐波》。规定了公用电网谐波电压限值和用户向公共电网注入谐波电流的允许值。只有我们采取一系列防企高次谐波入侵电网的各项措施，电网一定会越来越高效、稳定、安全运行。

[关键词]谐波；危害；抑制；治理

1.谐波源的分类

成为谐波源的非线性用电设备，就其非线性特性而言主要以下3大类：

（1）电子开关型：主要为各种交直流变流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备：

（2）铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器、电动机等，其铁磁饱和特性呈现非线性：

（3）电弧型：交流电焊机和交流电弧炉等。

2.谐波对电力系统的危害

2.1对电力电容器的危害

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化，从而缩短电容器的使用寿命。

2.2对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振，造成绝缘击穿。

2.3对保护系统的影响

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于继电器采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。受谐波影响厂区内无功补偿自动控制仪和PMC电动机控制保护仪有烧毁现象，公司内曾经因自动控制设备的不明原因停机，而造成生产系统停产。

2.4对电动机的危害

谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力，增加噪音量。厂区内电机有烧毁现象，电机线圈经常被高次谐波电压击穿，导致更换电机。进行谐波治理后，可减小电机的烧毁故障，节约更换电机费用和人工成本。

2.5对弱电系统设备的干扰

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。公司内部DeS系统经常出现不正常的死机，从而影响生产的正常进行。

3.谐波抑制方法

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

3.1采取脉宽调制（PWM）法

采用脉宽调制（PWM）技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。

3.2降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

3.2.1增加整流器的脉动数

高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或34相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10％，危害性大大降低。

3.2.2脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

3.2.3三相整流变压器采用Y-d（Y）或D、Y（Y）的接线

当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和形，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响，由于频率高，波幅值小，所以危害性减小。

3.3在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

3.3.1无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

3.3.2有源滤波器

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

3.3.3防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

3.3.4加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，

还可补偿功率因数。

3.4改善供电系统及环境

对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

4.结束语

谐波治理是一个综合治理的过程，是改善供电质量的重要手段之一，应加强监督管理，提高防护技术，加大治理力度，防止谐波危害发生，以适应高效用电和高质量用电的要求。