浅谈供电系统中谐波抑制及治理提高供电质量

[摘 要]能源匮乏是人类社会发展中面临的一个严重问题，目前世界上许多国家的政府都制定政策，采取措施，鼓励人们改变高耗能的生活和生产方式，向节约型社会转变。人们节能意识的提高，非线性负荷变频器、紧凑型荧光灯等节电产品迅速普及，给供电系统的各个环节带来严重的谐波问题。

[关键词]谐波 产生 损耗分析 集肤效应 机理 特性

中图分类号：TB 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）35-0351-02

一、概述

目前，谐波损耗的认识往往停留在定性分析上，且忽略导体的集肤效应.实测谐波电流集肤效应仿真的基础上，分析了集肤效应的特性（谐波频率越高，集肤效应越严重；集肤效应越严重，导体阻抗越大），以及谐波损耗及其组成，谐波损耗是系统总损耗的重要组成部分，谐波电流在导体上的集肤效应又加剧了导体发热。

近年来，随着人们节能意识的提高，非线性负荷变频器、紧凑型荧光灯等节电产品迅速普及，给供电系统的各个环节带来严重的谐波问题。非线性负荷谐波分析及其抑制研究得到了较快发展，各种谐波抑制技术及产品层出不穷。而实际上，谐波也是一个很重要的耗能指标。

根据有关资料，当变压器中5次谐波电流为基波电流的10%时，会使变压器的损耗比不存在谐波时损耗增大10%。可见，谐波损耗约占系统总损耗的1/3，是重要的耗能指标。

二、谐波的产生

谐波是由负荷的非线性产生的。如图1所示为电容滤波型三相桥式整流电路，该电路具有一定的代表性，变频器、电子镇流器、开关电源等均是以该电路作为整流间元的。图2（a）所示为实测的变频器输入侧的电流波形，可以看出，该电流发生了畸变，成为非正弦电流。

把该周期性电流用傅里叶级数展开分析，该畸变电流是由基波电流和各次谐波电流构成的。基波电流是人们期望得到并想充分利用的成分，是设备正常工作所需要的电流；而谐波电流则是由于非线性负荷把一部分基波转换为较高频率的流而来的，它主要由特征谐波

（n=6k±1，k=1、2、3…………）组成，对应频率为250、350、550、650Hz等，其他次谐波由于含量很小忽略不计，谐波也是做功的，但它影响供电系统的运行，增加系统的损耗，危害用电设备，因而人们把它归人无功功率中。谐波的无功功率（W）为：

三、 谐波损耗分析

通常情况下，当电力系统中没有谐波电流流动时，即正弦环境中，导体的热损耗计算公式为：

而当电力系统中有谐波电流流动时，即谐波环境中，导体的热损耗计算公式为：

目前，由于缺乏温升资料，谐波损耗的研究往往停留在定性分析上，缺乏精确的测量数据。定性分析往往忽略导体的集肤效应，而实质上谐波损耗PH 不但和谐波电流密切相关，而且和不同谐波频率下的导体电阻相关。导体都具有频率特性，在不同频率电流作用下，导体的电阻不同，描述这一物理现象的概念是集肤效应。

四、集肤效应的机理特性

电磁场集中分布在导体表面附近的现象称为集肤效应[3]。导体通过直流（DC）时，电流密度分布是均匀的。但对工作于工频（50Hz）交流电或较高频率的谐波电流，电流变化率较大，不均匀分布的状态甚为严重。

谐波电流在导体中产生的磁场在导体的中心区域感应最大的电动势。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流，在导体中心的感应电流最大。因为感应电流总是在减小原来电流的方向，它迫使电流只限于靠近导体外表面处。这样，导体内部实际上没有任何电流，电流集中在邻近导体表面的一薄层内。图3所示为直径15mm的铜导体电磁场示意图。变化的谐波电流在导体内和导体外产生变化的磁场（图3中1-2-3和4-5-6）垂直于电流方向。该磁场在导体内沿长度方向的两个平面L和N产生感应电势。此感应电势在导体内整个长度方向产生的涡流（a-b-c-a和d-e-f-d）阻止磁通的变化。可以看到涡流的a-b 和e-f边与主电流O-A方向一致，而b-c边和d-e边与O-A相反。这样传导电流和涡流之和在导体表面加强，越向导体中心越弱，电流趋向于导体表面。这就是集肤效应产生的机理。谐波频率越高，集肤效应越严重由以上分析可知，电磁场在导电媒介中按指数规律衰减。通常定义电磁波进入导体内场量衰减到表面值的1/e（即36.8%）时的深度为透入深度，或称为集肤深度：

五、应用实例

云锡元江镍业公司精炼厂供电系统图（图3）

该厂由于应用大功率整流设备及大量变频设备使电网中产生大量谐波。原供电系统中电容设备没考滤谐波因素，采用纯电容器补偿造成电网谐波放大、补偿设备无法正常工作及供电能耗增加；对系统谐波分析后，采用加装7～13%电抗率串电容器补偿设备进行改造来抑制消除电网中部份谐波。改造前后测试数如下：（测试点选择图3中③）

（一）改造前谐波测试

测试数据表明：电网主要存在5、7、13谐波，其中：5次谐波28.2A 占基波电流6.52%；7次谐波29.3A 占基波电流6.78%；11次谐波18.1A 占基波电流4.19%。

（二）改造后谐波测试

谐波电流柱状图（图5）

测试数据表明：5次谐波3.6A 占基波电流0.83%；7次谐波3.3A 占基波电流0.76%；11次谐波1.6A占基波电流0.37%。

综合分析：改造后比改造前电网中5、7、13谐波得到大幅度抑制消除，其中：5次谐波电流降低87.3%，7次谐波电流降低88.74%，11次谐波电流降低91.16%，谐波能耗损耗降低90%。

五、结束语

目前集团公司对电网中谐波治理工作应加以重视，该工作做好对提高供电质量、供电可靠性、降低电能损耗和保护供电设施是个强有力措施和手段。下一步谐波治理工作应遵行以下三个原则：

一是主动治理，从谐波源本身出发，通过改造用电设备，使其不产生或少产生谐波；

二是受端治理，从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；

三是被动治理，通过安装电力滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流入负载端。

由于谐波源的广泛性和复杂性，主动治理谐波受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响，只能解决部分问题，受端治理法和被动治理法是目前治理电力谐波问题的主要方法。例如通过在系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器进行滤波等等。

参考文献

[1] 《工业与民用配电设计手册》. 中国电力出版.2005年10月

[2] 《电气工程师手册》.机械工业出版.1987年12月

作者简介

李边荣（1964―）男，电气高级工程师现从事电气技术及能源管理工作

陆彪（1964―）男，大学专科，电气高级工程师现从事电气技术及能源管理工作