浅谈电力谐波的产生与治理

摘要：近年来随着国民经济的快速发展和电力电子技术的广泛应用，冶金、化工、钢铁、轻工、矿业、交通和公共设施等部门的各种非线性干扰性负荷迅速增长，导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损和用电设备的损耗，降低了电能质量，造成供用电设备损坏供电中断的事故频发，其直接或者间接损失数以亿元计。为保证电气设备安全稳定运行，本文作者从设计的角度出发，分析了电力谐波产生的原因，提出了一些治理谐波的方法，同时也介绍了一些成功的治理经验，指导电力用户对整流设备的选择，也供同行及相关人士参考、指正。

关键字：电力谐波、非线性负荷、谐波分量、整流设备、开关电源设备。

Abstract: With the wide application of the rapid development of the national economy and power electronics technology, metallurgy, chemical industry, iron and steel, light industry, mining, transport and public facilities and other departments of various non-linear interference load rapid growth in recent years, resulting in the power systemthe rapid growth of high harmonic content, causing the supply voltage waveform distortion, increase the line loss and the loss of the electrical equipment, reducing power quality, frequent accidents caused by damage to the power supply is interrupted for electrical equipment, its direct or indirect losses tobillions of dollars. To ensure the safe and stable operation of the electrical equipment, the author of this article, power harmonics generated from the design point of departure, made ​​a number of governance harmonic method, but also introduced a number of successful management experience to guide power users rectifier equipment choice for peer reference, correct me.Keywords: power harmonics, non-linear loads, harmonic components, rectifier equipment, switching power supply equipment.

中图分类号： TG434.1 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

一、电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。

对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的励磁电流有交流分量，造成发电机的谐波分量有所上升。可控硅励磁它的励磁电流有交流分量是和发电机转速是同步的，而IGBT电子励磁装置的励磁电流有交流分量是固定频率的，和发电机转速不能同步。当发电机的端电压高于额定电压的10％以上时，由于电机的铁磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7％以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。供电行业要调整好配变的三相员荷基本平衡，否则会产生配变铁磁饱和，产生谐波电流。

为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

1、电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。

2、交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

3、交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

4、开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：

电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性（如左图）。此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大。

交流整流直流用电设备的谐波产生的原因时由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零(如左图)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。

交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波(如左图)。虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是目前推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。

开关电源设备目前应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

二、谐波治理的基本方法

目前谐波治理的基本方法有以下三种，在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则，应该采用非线性用电设备处分散治理。但对于电脑，彩电，节能灯等民用设备，则只能进行集中治理。

1、减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统阻抗，换句话说就是提高供电电压等级。例如，在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果，该钢厂原是用35kV供电，由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电，而它的主要用电设备是电弧炉，虽然进行了五次、七次谐波治理，但在110kV的35kV母线上测得谐波分量仍接近或稍超国家标准。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右，用5回35kV专线供电，使35kV母线的谐波分量控制在国家标准以内，此外该厂还使用了较大容量的同步发电机，使这些非线性负荷的电气距离大大下降，使该厂生产的谐波对电网的危害性下降，这种方法投资是最大的，往往需要和电网发展规划相协调。

2、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器后，还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网，这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采用，发电机发出的电能经过Y/D、Yn/D、Yn/Y等接线组别的变压器，把发电机产生的三次、六次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来，因此在110kV以上高压电网上，三、六、九次谐波分量很小，几乎是零。而10kV由于在2005年前大多数配变为Y/Yn接线，35kV也有少量Y/Yn接线的直配变，因此在10kV和35kV中三、九次谐波分量会比高压电网大。为了减少10kV和35kV中三、九次谐波分量我国从2005年后10kV采用D/Yn配变，35kV有少量直配变，改用D/Yn接线组别。

3、安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法，多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。

有源滤波器的基本工作原理是把用户电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，这是谐波治理的发展方向。

无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。

一般在电容器无串联电感时，电网额定电压为10kV，变压所母线电压在10.5kV以上，电容器额定电压多选用11kV/。因此，用整治五次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11.5kV/或12kV/，用来整治七次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11kV/。

但是由于计算精度和电容器、电感器的制造精度等的原因，若按计算结果数据来配备，在标准化审查时就通不过，为了保证串联滤波器能在五、七次谐波频率时谐振，我们要求电感有一定的调节范围，从而确保滤波器能正常工作。具体调试方法如下图，调节电感,在谐波分析仪中该次谐波值最小时，则认为滤波器已调试成功。

三、谐波治理方法的总结和发展

在电力系统中，供电电压波型是中心对称的，因此基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过Y0/Δ、Y/Δ接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比较高，而且输电线路有一定电感量，对地又有一定电容量，相间及线间也有一定电容量。因此，高次谐波在线路传输过程中衰减比较快，同时高次谐波在电网中所占的比重也不大，故在电力行业中不作为主要整治对象。

对于电力行业的谐波治理方法有以下五种基本方法：

1、采用Yn/D、Yn/Y、Y/D、D/Yn接线组别的变压器，隔离三、九次谐波。

2、采用L、C串联无源滤波器，对五、七次谐波进行治理。

3、采用L、C并联无源滤波器，对三、六、九次谐波电流进行阻塞。

4、加强电网建设，扩大电网容量，增加旋转备用容量。

5、用电动机带动发电机对特殊谐波用电设备供电，使谐波源与电网完全隔离（如下图所示）。

对于非线性用电设备的谐波治理方法有以下五种方法：

1、对电弧加热用电设备，采用多相（六相、十二相等）电弧炉变压器，从而使低次谐波分量下降，高次谐波分量上升。目前最常用的是Y/Yn、D/Yn两变压器分别接两台相同容量的电弧炉，并使两炉同步作业，通过LC串联无源滤波装置进行局部治理，达到用电设备产生的谐波不超标。

电弧加热用电设备为了控制弧电流，会在电炉变压器中加入一个励磁绕组，通入励磁电流变成可控电压的磁饱和变压器，造成电弧侧的电压波型不对称，出现偶次谐波。当通入励磁电流用单相整流，用可控硅控制时，偶次谐波的分量会加剧。为了减少偶次谐波的分量又能控制弧电流，可以在高压侧采用18级有载调压开关，调节电孤侧电压，从而达到不产生偶次谐波，又达到控制弧电流的目的。

2、对于交流整流直流用电设备采用多相整流。多相整流产生的谐波多为整流相数±1次，对12相整流设备，谐波分量最大是11次和13次，而对24相整流设备，则是23次和25次。谐波频率越高，L、C串联滤波器的投资越小，谐波在输电线路中传输衰减越快。

3、开关电源设备谐波治理。工业用的典型设备是中频炉，目前广泛采用Y/Yn、D/Yn两台变压器初级并联，带两台相同容量中频炉同步运行，以提高整流时产生谐波的次数，在中频变换中进行L、C串联吸收,以减少中频谐波反射到电源侧，其接线如下图。

4、变频器的谐波治理。在发达国家中是变频器和变频器谐波治理设备配套供应的，由于变频器的设备价格和配套的变频器谐波治理设备的价格相差不多，我国的好多用户，往往只安装变频器，不安装配套的谐波治理设备。随着变频技术的推广，会使电网中的谐波影响加激，因此希望用电管理部门做好用户工作，做到变频器与配套的谐波装置二者同时设计，一起投运。

5、用户侧多投一些同步电动机，它一方面可以进行无功补偿，减少电压波动及电压闪变，另一方面它又能吸收一部分谐波电流，对谐波治理也有很大好处。例如，遂昌钢厂，在同步电动机全开时，110kV古市变和金溪变35kV母线的电压，谐波分量基本能在允许范围内，如果同步机停运，则这两点的电压谐波分量会超标，因此用户投入同步机对电网是有利的。

在供电系统中进行谐波治理有不少困难，非线性负荷不是24小时平稳运行的，如电弧炉、中频炉在出炉时会停运，在熔化和冶炼过程中，出力又有变化，因此谐波是在变化的。所以采用一个或几个固定的无源滤波器的投切，不可能和非线性负荷变动进行同步，而目前有源滤波器价高，不可能大力推广。从技术上说，目前对谐波治理有一定难度，而且虽然串联L、C无源滤波器对五、七次谐波起了治理作用，但是对某次谐波在某个条件下会起放大作用，从这一点来看，希望加强用电设备的治理工作。

在变电所补偿设备中串入一定电感，可以使之成为五、七次谐波治理设备，同时还可以起到补偿作用，以达到一物二用。但在设计方面则要请有丰富经验的设计单位设计，在浙江省可以请浙江省电力试验研究所，他们在五、七次谐波治理中已取得了很好的成果，在他们的指导下，各供电企业可以自己动手，从小到大做一些谐波治理工作，解决一些谐波污染问题，这对各供电企业的自身提高是有帮助的。

参考文献

参1：黄冰心《四川电力技术》2011年第4期 《住宅小区公用电网的谐波及治理》

参2：曾益保《大众科学*科学研究与实践》2008年第20期《刍议电网谐波的危害及治理》

参3：陆德琳 《电力系统自动化产品信息》2005年11期 《电力系统谐波的出线与基本治理方法》