谐波对电力系统的影响分析

【摘要】谐波电流在供电系统中已经出现多年了，但是随着科技的日益发展，谐波对电力系统的影响也越来越大。虽然各种家用电器和电力设备给人们的日常生活以及工、农业生产带来了便利，但是同时也导致了电网的大量谐波电流的注入，造成了严重的电能质量下降，也严重威胁到电力系统中的一些主要供电设备的安全运行。本文将对谐波对电力系统的影响进行详细论述，并讨论谐波的产生情况，进而提出了谐波的治理方法，以此提高电源的品质，铸就一个良好的电力系统环境。

【关键词】谐波；电力系统；影响

一、前言

谐波，是电力系统由于无法提供给用户一个理想的恒定工频的正弦波形电压，所以分解周期性电流或电压傅立叶而得到的基波整数倍分量含有量的频率。

电能在理想的电力系统中为用户提供的热是恒定的幅值和频率的三相平衡正序正弦电压，但是由于负荷，电力系统在实际的运行中是随机变化的，三相电压的相位差、频率、幅值没有办法保持恒定不变。谐波电流在供电系统中已经出现多年，电子行业中普遍应用的高频电源、电子镇流器、开关电源等电源设备，日常生活中大量使用的日光灯、家用电器等电器设备，以及矿山、化工、冶金企业中使用的大功率负荷的运行整流设备、炉、变频调速设备等，都导致了大量的谐波电流注入电网，造成严重的电能质量下降，正弦波畸变。这样不仅严重危害到广大用户，也严重威胁到电力系统中的一些主要供电设备的安全运行。

本文将对谐波对电力系统的影响进行详细论述，并讨论谐波的产生情况，进而提出了谐波的治理方法，以此提高电源的品质。

二、谐波的影响

谐波对各种电力系统都会产生不同程度的影响，主要有：

（一）谐波对电力设备的影响

1.谐波对电容器组的影响

在电容器中，电压畸变会产生额外电力的损耗。过电压和过电流会因为电容器和系统的其它部分之间的串联和并联谐振而引起，从而导致电容器过热或者巨大的损耗，甚至会损坏电容器。

2.谐波对电力电缆的影响

谐波污染将会使干式电缆增加局部的放电，使电缆温升增大、泄漏电流上升、输电损耗增大、介质损耗，从而增加单相的接地故障的可能性，电压也会随之升高。等级越高的电缆额定电压，越是容易发生故障，因为此事由于谐波而引起的电缆介质不稳定的危险性在随之增大。

（二）谐波对变压器的影响

谐波电压的存在使涡流损耗、绝缘的电场强度以及变压器磁滞增加，还会增加铜的损耗。尤其是对于电力变压器，在三角形接法的绕组内的3次倍数的零序电流的环流，可能造成绕组的电流值超过额定值。

（三）谐波对电网的影响

谐波会影响电网的可靠性、稳定性、安全性，主要表现在使正常的供电中断、电网解裂、可能引起电网发生谐振等方面。它会使电动机、电力电缆、电力变压器等设备发热并损坏，并且使绝缘材料加速老化。谐波还会影响短路器的开断容盘，导致短路器电弧的熄灭时间延长。电网的设备寿命缩短、线路和设备过热、功率损耗、增加接地保护功能失常等也会因谐波的产生而常有发生，尤其是三次谐波产生的巨大的中性线电流，会导致配电变压器的零线电流值或电压值超过相线的电流值或电压值，影响设备的安全运行。

谐波电压在公用电网中的限值如表1。

（四）谐波对输电线路的影响

流入电网的谐波电流对输电线路产生的影响如下：增加了电流波形的有效值，因此引起了附加输电的损耗；在各种电路的阻抗上谐波电流会产生谐波电压降。在电缆正在输电的时候，通过正比于其幅值电压的形式，谐波电压增加了介质的电场强度，因此会使电缆的使用寿命缩短。输电线路的长距离的输电线路，辐射的网架结构、分布电感和对地电容对谐波放大表现突出。同时不能忽视输电线路的系统谐振问题及谐波的放大。

（五）谐波对继电保护整定的影响

当电源谐波有着较高分量的时候，在继电保护正常运行中，也许会错误地引起过电流保护、过电压保护。在出现含量较高的正序性谐波或负序性谐波的情况下，如果三相极其不对称，就会干扰并误动以负序滤过器为启动元件的保护装置。谐波还会干扰继电保护装置关键处理模块的正常工作，造成保护装置拒动或者误动。例如因电弧炉而产生的谐波的影响就在上海宝钢发生过，谐波电流干扰了数字型差动保护，导致差动保护动作的跳闸事故。

（六）谐波对其他运行设备的影响

1.谐波对载波通信的影响

如果谐波的含量高，会干扰电力载波通信，这些干扰主要在造成集中抄表系统中数据出错，降低DAS、EMS的实时数据的可靠性，数据在传输中失真以及在语音通信过程中产生噪音等方面表现。

2.谐波对消弧线圈的影响

消弧线圈在电网谐波的成分比较大的时候，产生单相的接地故障，可能对谐波电流不起作用，因而接地点没有得到补偿，扩大了系统故障。

3.谐波对断路器的影响

谐波会降低某些断路器的遮断能力，无法遮断超过一定限值波形畸变率的故障电流，磁吹线圈没有办法工作正常，重燃和谐频涌波电压现象可能会在中压断路器并且截断电感电流的时候发生，并烧损断路器的触头。

4.谐波对同步发电机的影响

附加的谐波分量会在输出的电压波形中产生，导致负载的同步发电机转子扭转，并使寿命减短。同时，谐波电流和负序电流注入系统内的同步发电机，导致发电机发热，绝缘强度降低，并产生额外损耗。

三、谐波的来源

（一）谐波的产生

传统的线性负载几乎没有谐波成分，它的电压或者电流只含基波，但是在电力系统中非线性负载会产生较多的谐波。如纯电阻负载，有着相同的输入电压的正弦波形和工作电流波形，是线性负载。而非线性负载则有着非正弦波形的工作流，如斩波直流负载。波形的畸变是由电力系统中的基波与谐波叠加造成的，谐波电流中的幅值和频率决定其畸变的程度。非线性负载不产生正弦波电流，而是产生脉冲型电流。脉冲中的谐波电流由于造成电网电压的畸变，产生了谐波分量，进一步和电网相联的其他负载一同形成更多谐波电流。

分析傅立叶级数能够得出此时的电压和电流是由n次谐波与基波组合而成的，如下面两个公式：

公式中，n为谐波次数，为n次谐波电流有效值，为n次谐波电压有效值，为基波频率；、分别为n次谐波的电流和电压初相角。

（二）谐波的来源

用户变压器群是谐波的主要来源之一。由于三相变压器的铁芯是“日”字形的，所以变压器的三个磁路不对称，导致变压器励磁电流中产生谐波分量。在加电压激励时空载三相变压器的时候，谐波分量也会在励磁电流中产生。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的重要来源。

谐波的主要来源还有许多。如广大家庭使用的计算机，它装有一个电容型或者二极管的供电电源，是脉冲型电流的非线性负载之一。这样的供电电源大量形成三次谐波电流，是由于这类电源只是在交流正弦波电压达到峰值的时候产生电流。除此之外，在生活用电中产生谐波的电设备还有电视机、开关电源等，还有电泵、电镀等各种生产用电，一些电流设备如固态加热器，电动机变频调速器等。这些电子设备数量庞大，集中起来产生的谐波所造成的危害是不容乐观的，须引起重视。

四、谐波的治理

世界上许多国家都出台了相关标准以及采取了具体的治理措施来解决谐波对电力系统的污染日益严重的问题。这些标准有像IEEE 519-1992标准那样的对产生电力污染的设备的进行限制，它要求单次谐波电压畸变率只能达到基波电压的3%。我国也采取了一些治理谐波污染的措施，提高了这方面的重视程度，并在提高电源品质方面达到了良好的效果。我们根据实际情况，提出治理谐波污染的主要手段有：

为了尽量减小谐波带来的影响，我们可以在工业设计中尽量避开产生谐波的可能。根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-923.3.10，要求在选型中频炉等非线性用电大功率设备的时候，尽可能地去选择较高的电压。在无功补偿设计中除了验算基波，着重避免系统感抗与并联电容器的谐振，还要避开3、5、7等这些主要谐波的参数，以防这些次的谐波产生谐振。

为了减少谐波对系统电器设备的影响，可以通过尽量避免以高电压、轻负荷的状态运行，注意在运行的时候的实时控制等方面解决；若是想减少在变压器群中产生谐波，可以将配变中间相改变转接A或C相；减弱谐波对电网其他设备的影响，可以采取改变接线方式、改变部分运行，增加电网短路容量、提高电气设备短路等方式，来减小谐波产生危害的机会。

我们还要因地制宜，有针对性的对我国谐波源进行治理。如我们可以对产生大量谐波的用户，在用户变压器低压侧加装滤波装置。装置可以分为有源电力滤波器和无源电力滤波器。有源电力滤波器通过谐波采样装置采集谐波源发出的谐波后，复制出方向相反、大小相等的完整的谐波，将谐波接入电网与原来的谐波抵消，它产生随谐波源的变化而变化的谐波，实际上是一个大功率的谐波发生器。无源电力滤波器则可以通过电感、电容谐振的原理阻止相对应次数的谐波，将电压畸变率一直保持在一个比较低的水平。

五、结语

综上所述，通过详尽有效地了解谐波在各个方面对电力设备、变压器、电网、输电线路、继电保护整定等电力系统中一些运行设备的影响，分析谐波产生的原因以及来源，我们可以看到谐波对电力系统的影响十分严重，需要引起我们对这方面的重视，努力去铸就一个良好的电力系统环境。所以我们必须加强对谐波的危害影响的认识，考虑到谐波在工业设计、设备选型、电网规划等方面的影响，并根据各个方面的具体情况采取合理的治理方法，让我们的电力系统运行得有条不紊，从而提高电源的品质。

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作者简介：孙波（1985―），男，四川成都人，大学本科，四川省电力公司阿坝公司助理工程师，研究方向：电力系统分析。