供电系统谐波的危害及抑制

摘要：通过对谐波产生的危害进行分析，阐述了抑制谐波的方法文中着重对电弧炉、电力机车的供电系统进行谐波分析，提出治理措施

关键词：供电系统　谐波　抑制

电压是供电质量的重要指标之一。随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高，非线性用电设备大量使用，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，供电质量下降，不但对电网的安全运行产生不利影响，对广大电力用户也产生危害，尤其是近年来在有的地区供电系统，电弧炉的大量使用和电铁牵引站的投运，产生大量的高次谐波。如不采取措施加以治理，会直接威胁电网的安全运行。因此，了解谐波产生的成因和危害，研究抑制、消除电网中的高次谐波，具有重要的意义。

1 谐波的产生及危害

供电系统中的高次谐波主要产生于非线性用电设备(非线性负荷)，即非线性用电设备是主要的谐波源，它主要有以下几类：

(1)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如电弧炉、电焊机等。

(2)具有铁磁饱和特性的铁心设备，如变压器、电抗器等。

(3)交流整流及交流整流再逆变的电力变流设备，如电力机车、变频器等，

(4)开关电源设备，如中频炉、电子整流器、电脑、彩色电视机等。

非线性负荷将谐波电流带入电源，会使供电电压畸变，并增加了畸变波形的有效值和峰值。谐波危害主要表现在以下几个方面!

(1)谐波增加了发电、输变电及用电设备的附加损耗，降低设备的效率，易使变压器绕组、电缆、线路、电容器等过热、绝缘老化、变质。

(2)谐波对电网中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响较大，在负序基础上如再叠加谐波的干扰(如电力机车、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起变电所主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母差保护的负序电压闭锁元件误动以及线路距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等误动，严重威胁电网的安全稳定运行。

(3)谐波使电气测量、仪表计量不准确，产生计量误差，给供电企业(对谐波源用户少计量)或电力用户(对线性负荷用户多计量)带来经济损失。

(4)电力线路上流过的幅次较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近输电线路的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作：谐波源会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的性能，造成噪声干扰和图像紊乱。

(5)谐波使计算机、电视机等图形畸变，造成计算机数据丢失或死机：谐波还会使荧光灯、汞灯的镇流器或电容器过热而损坏：使变速装置的晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

2　对谐波的限制规定

对于影响电压质量的谐波，已有较多的行业、地力限制规定。但许多谐波源和造成电压波动等电压质量下降的设备接人电网时，往往未严格按规定执行，以致电网受到不同程度的污染，威胁电网和用电设备的安全运行。国家标准GB／T14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流允许值，是限制谐波的重要依据。

2.1 电压总谐波畸变率

谐波电压含有率HRUh=Uh/U1×100％

式中Uh――第h次谐波电压(方均根值)；

U1--基波电压(方均根值)。

国标规定，电网中任何一点的电压正弦波形畸变率不得超过表1所列的极限值。

2.2谐波电流允许值

在电网连接点的谐波电压可能是一个或多个谐波源的谐波电流在电网阻抗上产生的，因此要控制电网的谐波电压，必须限制每个谐波源注入电网连接点的各次谐波电流，其允许值见表2。

一个新的谐波源用户在接人电网前，在电网连接点谐波电压正弦波形畸变率未超过表1规定，且新注入各次谐波电流未超过表2的允许值时，方便接入电网。否则应采取措施，使之符合规定达到要求。式中Ih――第h次谐波电流(方均根值)。

当电网连接点的最小短路容量异于表2的基准短路容量时，则按下式修正表2中的谐波电流允许值。式中SK1――电网连接点的最小短路容量，MVA；

SKK2――基准短路容量，MVA：

Ihp――表2中的第h次谐波电流允许值，A；

Ih――对应于短路容量为SKI时的^次谐波电流允许值，A。

3　抑制谐波的基本方法

谐波对电网和用户都产生比较大的影响，谐波问题是关系电网供电质量的一个重要问题，它不但与供电企业有关，而且还与广大电力用户密切相关。谐波的抑制可以采用变电所集中治理和非线性用电设备分散治理两种方式，按照谁污染谁治理的原则，首先应在非线性用电设备处分散治理：对于节能灯、电脑等民用设备，则进行集中治理。

3.1 增加换流装置的相数或脉冲数

分析表明，换流装置在其交流侧和直流侧分别产生PK+1和PK次谐波fP为整流相数或脉动数，K为正整数。当以6的倍数增加整流脉动数，可以有效的消除幅值较大的低频项，从而大大减少谐波电流(谐波次数越高，谐波电流则越小)。

3.2改变非线性负荷接入电网的接入点

因高压电网的短路容量大，有承担较大谐波的能力，所以可把谐波产生容量大的设备接入电网高一级电压的母线，相当于增加了非线性负荷到对谐波敏感负荷之处的电气距离。

3.3安装滤波装置

通过在变电所侧和用户侧安装滤波装置来减少谐波电流，从而降低谐波电压。滤波装置分为有源滤波器和无源滤波器两类。

有源滤波器是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波，滤波效果好，但其成本大、技术要求高，目前尚未大量推广应用。

无源滤波器是通过L、C串、并联，使其在某次谐波处于谐振状态，即该次谐波电流大部分通过滤波器，流入电网的谐波电流被大大减少，供电母线上的该次谐波电压被限制在很低的水平上。其中，对于低次谐波电流，针对需抑制的次数设置对应次数的单调谐滤波器：对于更高次数的谐波，则选用一组高通滤波器。例如，在变电所的10kV母线上装设两组或两组以上的串联无源滤波器，谐振在5、7次，抑制5、7次谐波，同时起补偿电容器组的作用。

装设滤波器的方式、容量和地点应根据谐波源的情况、电网运行方式及谐波源附近其它负荷对谐波的要求程度来确定。在装设滤波器后要进行测量，防止投运后出现某几次谐波的谐振，使这几次谐波电流被放大。对装有无功补偿电容器的地点，应在电容器投运后 测量有无谐波被放大的情况。

3.4装设动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置，如静止无功补偿装置(SVC)或静止同步补偿装置，以有效抑制谐波、减少向系统注入谐波电流，提高供电系统承受谐波的能力。

4　炼钢电弧炉和电力机车用电产生谐波的分析和治理对策

近年来，有的地区投产了许多钢铁冶炼厂，投运了经改造的电气化铁路，随着电弧炉、电力机车等非线性用电设备的增多，谐波对供电系统的影响加大，必须进行重点治理。

4.1炼钢电弧炉

4.1.1电弧炉谐波分析

电弧炉是利用电弧热来熔化原料的，由于冶炼过程中电弧燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生三相谐波电流注入电网。

由于电弧炉电流不规则，且急剧变化，半个波内的电弧电压中间部分较平坦，电弧电压保持常数：而当电流值接近零时，电弧电压升高，呈现电弧尖峰。非线性电弧产生高次谐波，它可分解为2次及以上的各次谐波，主要为2-7次。其中2次和3次最大，其平均值可达基波成份的5％-10％，最大值可达15％-30％；4-7次平均值为2％-9％，最大值达5％-15％。此外，由于电弧炉的负荷特点，还会产生电压波动、闪变及使功率因数降低。

4.1.2炼钢电弧炉谐波治理方法

(1)钢铁企业安装滤波器。可以根据电弧炉产生谐波的情况，装设2、3、4、5等次数的单调谐滤波器和一组高通滤波器，并可将有补偿需要的电容器容量全部设置在滤波器中，既达到有效抑制谐波的目的，又满足了无功补偿的需要。

(2)采用多相(如六相、十二相等)电弧炉变压器，使低次谐波分量下降。可用接线为Y／YO、A／Y0的两台变压器分别接两台相同容量的电弧炉同步作业运行。并通过LC串联无源滤波装置进行局部治理，达到谐波不超标的目的。

(3)提高供电电压等级，减小设备与电源间的电气距离。例如，某钢厂由35kV供电，电源为来自110kV变电所的多回35kV专线。如当地有220kV变电所，宜就近接人220kV变电所供电：如当地无220kV变电所，则在条件许可时在钢厂附近(几km处)建设220kV变电所进行供电，这将使35kV母线的谐波分量得到较好地抑制。若钢厂还能使用较大容量的同步电机，又可吸收一部分谐波电流，减少电压波动及电压闪变，使谐波分量控制在允许范围内，减轻对电网的危害程度。

4.2电力机车

4.2.1 电力机车谐波分析

电力机车负荷具有非线性(大功率整流设备)、非正弦性(波形畸变)、非对称性(单相大功率负荷)和非连续性(有功、无功冲击严重、电压波动大)的特点，其用电会产生大量的谐波与负序，危及电网的安全运行。由于电力机车沿铁路移动用电，其产生的危害性远比其它谐波源设备更为严重。

2006年投运的浙赣电铁系在铁路沿线建设若干个牵引站，由电网220kV双回路供电，通过牵引变压器把电压降为27.5kV，向牵引网供电。其供电臂的长度为20km，一个牵引站的供电距离为40km。为使负荷均匀分配在各相，对各牵引站高压侧接人系统进行换相，经过三个牵引站的换相，即完成了轮换一周的循环，

电力机车内部为工频单相全波整流电路，与所有整流装置一样，会产生谐波污染电网。其3次谐波电流可达基波的20％，是最大的特征谐波。此外，受电力机车的开停、增减速的影响，负荷冲击频繁，引起电网电压波动：因电力机车属单相负荷，易造成三相电压不平衡，产生负序电流注入电网。

4.2.2 电力机车谐波的治理方法

(1)在电铁牵引站安装滤波装置。一般是在牵引站装设3、5、7各次滤波器(可将7次没为高通滤波器)，还可将电力机车改用车载分次滤波器的方式，对3、5次谐波的滤波效果好。近年来，随着对治理电铁谐波研究的不断深入，开发应用了许多新设备、新技术，如采用SVC综合治理电铁谐波，装设具有消除高次谐波、提高功率因数和进行动态无功补偿等功能的高压大功率GTO多电平PWM变换器，等等。

(2)在供电企业的变电所低压侧安装滤波兼无功补偿装置，滤去高次谐波，补偿基波无功，从而达到治理高、中压侧谐波的目的。应根据对变电所的谐波和负序实测结果和系统运行及设备技术参数，对电铁牵引站的谐波和负序对系统的影响进行计算，在此基础上对方案设计、经济及技术指标等进行计算分析和论证，以明确治理设计方案，装设3、5、7次等相应次数的滤波器。

滤波装置的基波无功输出以系统所需无功补偿为上限，轻负荷时应及时切除低次滤波器，以防止发生过补偿，引起无功倒送而降低功率因数。滤波装置与原有并联电容器组或与系统的并联谐振点，不应落在整数倍谐波频率上，以避免造成谐波放大的问题。