谐波电流及其防止

1、谐波电流的产生

理想的电力系统是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平供应电能，电能质量是用频率、电压和波形畸变来衡量的。中国交流供用电系统电压、电流的频率是50Hz，成为基波频率，标准的波形是正弦波。波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流设备，以及非线性负荷造成的。这些设备即使供给它理想的正弦波电压，它取用的的电流也是非正弦的，这种非正弦的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。国际电工标准中定义：谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，通常也称它为高次谐波。谐波电流是由负载产生的，谐波电流通过谐波阻抗产生谐波电压，由于负载阻抗大于系统阻抗，所以谐波电流值的大小由负载阻抗来确定，与基波电压值和供电网的阻抗几乎无关，大多数谐波源可视作恒流源，谐波电流的流向是由负载测流向电源侧。

电力系统中主要的谐波电源有：冶金和化工用的电解整流设备，电气化铁路机车，各类金属轧制设备，直流电机调速装置，同步电机励磁装置，高压直流输电的大功率换流装置，各类稳压电源，灯光调节器，中频炉、高频炉等，还有一些设备，属于随机和波动性的一般谐波源，如旋转电机（发电机和电动机），变压器、电弧炉及家用电器等。

2、谐波电流的危害

由于各种谐波源产生的谐波电流在连接的供用电系统中到处流动，所以对电力系统造成污染的范围很广、距离很远，影响到整个电力系统的电气环境，包括系统本身和广大用户。谐波电流对电力系统的危害归纳起来主要有:

2.1由于旋转电机阻抗较小，谐波电流易进入，产生频率较高的旋转磁场，感应出的高频电流造成附加功率损耗和转子发热，绝缘老化引起振动，达不到额定转速。

2.2由于谐波电流使电源电压发生各类畸变或传入干扰电平，从而影响电子计算机和其它精密电子控制设备的正常工作。

2.3谐波电流使电容器组与系统之间发生某次谐波频率的并联电流谐振，导致谐波电流放大，从而使电容器过负荷或过电压损坏；对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿。

2.4谐波电流使变压器励磁电流增大，效率降低，产生噪声，增加变压器和电网的损耗。

2.5谐波电流在高压架空线路上的流动，除增加线损外，还将对相邻通讯路线产生静电干扰、电磁干扰。

2.6谐波电流对继电保护装置产生干扰，造成高频相差保护或负序继电器误动作，使谐波制动的变压器差动动保护拒动。

2.7谐波电流使电气计量装置产生更大的误差，高次谐波可使电流表的固定线圈附近的金属部件上产生涡流；对电压表除产生涡流外，还会由于频率的增高使电压线圈内流动的电流减少；对电度表的驱动力矩、制动力矩、相位角等均造成较大的误差。

3、谐波电流的限制标准

随着电力电子技术的发展，现代工业、交通等行业使用的各种电流设备的容量越来越来大，数量越来越多，以及电弧炉、家用电器等非线性用电设备接入电网，并将其产生的谐波电流大量地注入电网，使公用电网的电压波形发生畸变，电能质量下降，威胁电网和各种用电设备的安全经济运行。因此，必须把公用电网的谐波量控制在允许的范围内，保证供电质量，防止谐波电流对电网和用户的各种电器设备造成危害，以保证电网及用户安全经济运行，并获得良好的社会经济效益。

国家技术监督局1993年8月批发的《电能质量：公用电网谐波》国家标准GB/T14549-93，对交流额定频率为50Hz，标准电压110kV 及以下的公用电网，规定了电网谐波的允许值及其计算、测量方法。当注入公共连接点的谐波电流及电网中谐波电压畸变率超过规定的极限值时，应查明谐波源并采取措施，把谐波电流限制在允许范围内。

3.1谐波电流的次数

谐波电流的次数指谐波频率与基波频率的整数比，对于三相整流电路的交流侧电流来说：

n=kp±1……………………………………………………（1）

式中：k ¬―― 正整数

P ―― 整流装置每周期内的脉动数

例：三相全波桥式整流装置：p=6,

k=1、2、3……，n=6k±1，它所产生谐波电流的次数为5、7、11、13、17、19……；三相Y双电桥整流装置：p=12，k=1、2、3……n=12k±1，它所产生谐波电流的次数为11、13、23、25……。

计算或测量谐波电流的次数一般为第2到第19次。

3.2谐波电流的计算

In=HRIn×I1…………………………………………（2）

式中：In ―― 第n次谐波电流（A）

HRIn ―― n次谐波电流含有率，可根据换相角γ（°）和触角α（°）查n次谐波电流曲线得出。

I1 ―― 基波电流（A）

3.3电压总谐波畸变率

THDu= ……………………………………（3）

式中：THDu ―― 电压总谐波畸变率（%）

μe ―― 电网的标称电压（kV）

Sd ―― 电力系统近期最小运行方式时，谐波电流注入点为三相短路容量（MVA）

3.4注入公用连接点的谐波电流允许值见表1。当公用连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表1中的谐波电流允许值可按下式换算：

Ih=Sd•Ihp/Sdp…………………………………………（4）

式中：Ih ―― 短路容量为Sd时的第n次谐波电流允许值（A）

Ihp ―― 表1中的第n次谐波电流允许值

Sd ―― 为公用连接点的最小值电路容量（MVA）

Sdp ―― 表1中的基准短路容量（MVA）

标准

3.5公用电网谐波电压限值见表2

表2 公用电网谐波电压（相电压）限值

3.6用户单台整流设备接入电力系统的允许容量见表3

表3用户单台整流设备接入电力系统的允许容量（kv）

3.7同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值，按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。如果用户的协议容量小，所占比例小，则分配到的谐波电流允许值就小，这样就更加减小了谐波电流的允许值，进一步对谐波电流进行严格限制。

在公共连接点处第i个用户的第n次谐波电流允许值Ini按（5）式计算。

Ini=Ih(Si/St)1/α ……………………………………………………（5）

式中：Ih ―― 按（4）式换算的第n次谐波电流允许值（A）

Si―― 第i个用户的用电协议容量（MVA）

St―――― 公共连接点的供电设备容量（MVA）

α ―― 相位迭加系数，按表4取值

4、谐波电流的防止

防止谐波电流时，应同时考虑特征谐波与非特征谐波。

特征谐波指理论分析时根据傅立叶级数求得的高次谐波，是某些谐波源必然产生的高次谐波，例如三相全波桥式整流装置会产生6k±1次谐波（k为正整数）。

非特征谐波指某些谐波源所产生的除特征谐波以外的一些高次谐波，一般与运行条件，装置本身的特征等因素有关。例如，可控制硅整流设备、整流变压器等都会产生非特征谐波。非特征谐波电流值没有一定的计算公式，工程设计中常按经验估算，一般为谐波电流的10%至20%。

4.1尽量采用高电压等级的整流设备

从表3可以看出，在整流设备控制型式相同、脉动数相同的条件下，供电电压越高，单台整流设备接入电网的允许容量越大。例如：同是12脉动全控整流设备，当供电电压为10kV时，单台整流设备接入电网的允许容量为1500kVA，当供电电压为35kV时，允许容量为1900kVA，当供电电压为110kV时，允许容量可增大为5700kVA。因此在大中型冶金企业中，宜优先采用高电压等级的整流设备。

4.2增加整流装置的脉动数（换相数）

通常把整流装置在交流电网基波电压的一个周期内发生不同时换相的次数，称为它的脉动数（或换相数）。一个脉动数为p的整流装置，在它的交流侧将主要产生n=kp±1次的谐波（k为正整数），对于三相桥式6脉动整流装置，所产生谐波电流的次数为5、7、11、13、17、19、23、25……，对于双桥12脉动整流装置所产生谐波电流的次数为11、13、23、25……，将两种型式的整流装置相比较，就可发现，当把整理装置的脉动数从6脉动增加到12脉动，就可消除5、7、17、19次特征谐波，而5、7、17、19次非特征谐波电流的幅值较小。因此，增加整流装置的脉动数对抑制高次谐波的危害性将取得明显的效果。在设计中，应尽量采用多脉动等效电流的整流设备。例如：将一台Y/接线的6脉动整流机组与一台/接线的6脉动整流机组并联运行，可组成12脉动等效电流的整流装置，消除5、7、17、19次谐波；将一台Y/同相逆并联接线的12脉动整流机组与一台/同相逆并联接线的12脉动整流机组并联运行，可组成24脉动等效电流的整流装置，消除22次以下谐波。

4.3装设并联型滤液器

对已经投入运行的谐波电流源，装设并联型滤波器是抑制和吸收高次谐波最常用的一种有效措施。并联型滤波器对高次谐波具有很低的阻抗，当与谐波源并联连接时，就能吸收高次谐波电流，而且对于工频来说是呈容性的回路，还能发出无功功率，满足整流装置部分无功功率的需要。并联型滤波器一般都接在整流变压器的电力系统侧。并联滤波器通常有以下几种:

4.3.1单频率调谐滤波器。电路由电容、电感、电阻串联组成，对某次谐波具有很低的阻抗，滤波效果好，对于5、7、11、13等次幅值较大的谐波可装设单调谐滤波器。

4.3.2双频率调谐滤波器。电路由电容、电感、电阻混联组成，对某两次谐波具有低阻抗，滤波效果较好，在基波频率下损耗较小，但在电路调谐时，没有单调谐滤波器方便。

4.3.3高通滤波器。电路由电容、电感、电阻混联而成，在一个很宽的频率范围内具有低阻抗，例如对11次谐波或17次谐波及以上的各高次谐波呈现出低阻抗，滤波效果较好。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看