谐波对港口电气设备的影响分析

摘 要 在电力设备中随着港口企业对其的广泛使用，谐波在港口供电系统设备中所显现的问题越来越严重，不仅对电气设备造成了很大的损害，加剧了电气设备绝缘、老化的程度，同时也严重的影响了电气设备通信技术中计算机、监控系统等的正常运行，对港口的正常生产和运营造成了很大的威胁，因此，在港口电器设备中，防止谐波的危害，降低谐波的损耗，对于提高港口电气设备的电能质量是极其重要的。

关键词 谐波；港口电器设备；电力系统

中图分类号：U653 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-076-02

近些年来，随着我国港口建设的不断扩大，很多情况下，港口在用电设备的使用中都会采用大量的可控硅变流设备和硅整流设备，而堆场中照明设备所普遍采用的是放电类的电光源设备，但是这些设备都具有非线性的负载能在一定条件下会产后说呢过不同层次的高次谐波，而这些谐波又会促使发电机出现发热和变压器频繁跳闸的现象，严重情况下甚至会造成火灾，这不仅严重的降低了港口中电气设备的质量，还造成了生产人员的人身安全以及增加了港口在电气设备中的经济投入。谐波问题涉及到了很多部门，目前已已引起了多方的重视，本文以下就对谐波对港口电气设备所造成的影响进行分析，从中找出合理的防治措施。

1 谐波的具体概念

电力系统中的谐波问题早在20世纪的20年代就引起了人们的注意。严格来说，谐波值一般指的是对电量周期性运转的中，对非正弦电量所实施的一种傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流所产生的电量。广泛意义上来说，根据交流电网中将有效分量的工频作为单一频率，那么谐波指的就是在任何情况下工频所产生频率的不同成分。根据这两个层次中的意义来看，广泛意义上的谐波在概念中就有了“间谐波”、“次谐波”和“分数谐波”等方面上的说法。

2 谐波在港口电气设备中产生的因素

从谐波的定义中可以得知，谐波产生的状态属于一种非线性负载，受这种负载状态的影响基波电流就发生了畸变产生了谐波。在供电企业中，用电的设备和供电的系统都是以正弦波形的设计思维来运行的，在基波频率上我国为50 Hz，同时这种谐波在港口电器设备中主要存在于变压器、充气电光源、整流设备等设备中。

2.1 港口电气设备中变压器产生的谐波

在变压器使用过程中，变压器的铁心会出现磁化曲线和饱和的状态，在变压器的设计过程中考虑到经济性，在对变压器工作磁的密度上就选择在了磁化曲线的饱和阶段中，这样生产出的变压器的磁化电流中会呈现尖顶波形，其就是属于奇次谐波。电压器会出现谐波和其自身磁路的结构、铁心的饱和程度以及大小有关，根据铁心饱和程度的高低，谐波电流的大小也随之变化。

2.2 港口电气设备中充气电光源产生的谐波

对于照明设备，我国港口企业一般都是采用气体放电类的电光源，但是这种气体放电类的电光源的全伏安特性很不稳定，光源的非线性十分严重。面对这种状况，港口企业的生产人员在需要照明的时刻，为了综合伏安特性中的负性，都是通过串联电感或者电阻来进行工作的，在这个过程中，串联的电感或电阻被称为镇流器。由于气体放电类的电光源在数量上十分巨大，那么其产生的非线性就十分严重，其谐波的含量占到基波含量的20%以上。

2.3 港口电气设备中整流设备产生的谐波

在电阻、电容和电感的电路中，其流动中的电流和施加的电压是呈正比的，如果施加的电压是正弦，那么气流过的电流也是正弦，这种情况是不存在谐波的。但是，在施加的电流和流动的电流不呈线性负荷关系时，两者就形成了非正弦电流，同样也就产生了谐波。

在电气设备中，整流设备包括整流器和逆变器，整流器是为了将交流电转变为直流电，逆变器是为了将直流电转变成交流电，两者的作用是互为相反的，其中逆变器被广泛的应用在交-直流电动机调速和交流变频调速中。整流器和逆变器中的电路的反向阻的抗拒力十分强大，这样两者的电流就要单方面进行流动。根据整流器的输出端情况分析，每相电流的形状为波形的矩形波，根据傅氏级数进的周期性的波状分析，这种波形除了具有工频正弦波外，还具有很多的高次负弦波，这些高次负弦波就属于谐波，由于整流设备需要调速变频，功率大、设备多，其形成的污染也比较严重。

2.4 其他办公设备产生的谐波

在港口企业中，电器设备的实施要通过一系列的办公设备来进行，那么这些办公设备也需要开关电源来控制，在这个过程中也会造成谐波的出现。但是，在在港口企业中办公设备的使用量又比较大，如此境况，电网受谐波的干扰情况也就比较严重。

3 谐波对港口电气设备的影响

3.1 谐波输电线路的影响

在电网中如果含有高次的谐波电流，这些电流就会增加对输电线路功能的损耗。一般谐波的频率都是处于谐振点附近的振区内，这样就造成了输电线路绝缘式的穿击。如今，港口供电系统中，很多的线路都采取电缆实施供电，这样就使电缆线路较小的影响地电容，同时其感抗就有了一定的减少，收这种情况的影响就容易形成谐波，以此导致谐波对输电电路产生绝缘击穿的情况，严重影响输电线路的稳定运行。

3.2 谐波对变压器的影响

电气设备中谐波的存在无形之中就增加了变压器绝缘电场的强度、磁滞的损耗以及漩涡的损耗，同时还增加了对铜的损害。变压器会存在非对称性的负荷，而这种非对称性的负荷会对变压器造成很大的危害，增加励磁电流中谐波的分量。高次谐波在入侵到三角洲连接的变压器中会在变压器中的绕组中形成环流，而这个绕组又会出现发热的情况，这样谐波就会造成变压器受热损害。

3.3 谐波对电动机的影响

谐波不仅会增加对电动机附加的损害，还会降低其原有的工作效率，在情况严重时会出现电机机身发热的情况。根据负序谐波在电动机中所产生的旋转磁场和电动机旋转方形的相反性，谐波会对电动器起着制动的作用，这样就会减少电动机原本的发力情况。一般情况下，电动机在持续正常运作的过程中，其电网中的负序电压不会超过额定电压的20%，而谐波对电动机的负序电压增大时，附加功能的损耗就明显的出现增加的情况。电动机中谐波电流频率在接近部分零件固有的频率时，所产生的震动发出的噪音是很大的，干扰到周围的工作环境。

3.4 谐波对供电系统可靠性的影响

电磁式的继电器保护，其在装置时如果按照基波的负序量对整定值的大小进行决定，供电系统在受到电力谐波的影响下就会常常引起自动装置的拒动或者误动以及继电保护系统的不稳定。在这种状态下，整个继电保护系统的可靠性就会降低，容易扩大系统中的故障，这样供电系统中的选择性机会丧失，同时其可靠性也会降低。港口供电系统的不稳定或严重影响整个港口企业在生产和经营中的正常运转。

3.5 谐波干扰着电力系统的正常运转

在港口的电力设备中会有一些对电能抵抗较弱的设备，港口中的一些通信设备、有线电视、计算机网络受到电力谐波的影响，会导致港区内计算机的显示亮度发生波动的情况，显示器中的图形或图像会发生畸变，情节严重的甚至会导致机器内部元件的损坏，使机器无法继续使用，系统无法正常运转。不管怎样，谐波的存在都会使港口中的电器设备造成一定的损害，这样就导致生产和经营中无法正常的运作，造成严重的经济损失。

4 港口电气设备中对谐波的防止

从上述谐波对港口电气设备中所造成的情况分析，谐波的存在严重威胁着港口电气设备的正常运行，面对这种情况为了减少谐波所造成的危害，对于谐波的防治就要从管理和技术两个层面来进行防止。

4.1 港口要加强对电气设备的管理力度

在对电气设备管理执行的力度上，港口中的管理人员要根据我国与1993年颁发的GB/T14549《电能质量公用电网谐波》中的规定，对需要连接注入的谐波允许值的用户，要让其在安装的过程中必须安装电力谐波滤波器来限制用户在注入中所公用的电网谐波。

4.2 港口要加强对电器设备的技术实施力度

在供电系统中，谐波的产生是无法避免的，这就需要对其进技术上的改造，同时加大供电系统中短路和供电设备的容量，来提高电压的等级，将这三相的负载保持在一个平衡的状态中，这对于提高整个港口电气设备抵抗谐波的能力和维持港口电气设备的稳定是非常重要的。

4.2.1 港口电气设备中防谐波设计的原则

在对港口电气设备防止谐波设计的过程中，要通过以下的原则来对港口中电气设备所造成的威胁进行防治。

为了避免谐波对线路下游的影响，要尽可能的将非线性负载放置在配电系统的上游中；为了减少谐波对接地线路的干扰，除了低压用户，其他的公共建筑配电系统的接地保护要尽量的采用TN-S制；为了相互抵消中性线导体中的谐波，对于晶闸管控制的负载设备要采用对称控制；对于谐波情况比较严重，同时功率较大的电气设备要从变压器气的出现部位采用专线供电；对于谐波比较严重的配电系统，在对电容器功率因数的补偿中可适当的串联电抗器来作为抑制谐波的辅助手段，同时还要避免电网局出现局部谐振的情况；当然对于谐波的预测是难以进行的，那么在设计的过程中就要预留一定的滤波设备空间。

4.2.2 港口电气设备中的防谐波技术的实施

根据谐波对港口电气设备所造成的影响，在对其防谐波技术的实施上就要通过对变压器、滤波器、变流装置进行改良，同时还要增加变流装置的整流相数，抑制逆变和整流过程中所产生的谐波以及实施的分开供电设备和动力装置的措施。

对于变压器的改造要采用三角形或星形的接法来实施，这两种接法在谐波电流进行一次绕组循环流动的过程中不会传到其他的电源系统中，这样谐波就不会对整个电源系统造成影响。在对滤波器的改造中，可以通过装设无源和有源的滤波器来防止谐波的干扰，无缘滤波器不仅可以补偿无功功率同时还可以吸收谐波，减轻谐波对电气设备的损害，提高港口电气设备承受谐波的能力；有源滤波器可以对实时、动态的谐波进行抑制，同时还可以补偿谐波中电流的频率和大小，根据接入电网方式和电路组成方式的不同，有源滤波器可以分为串联型和并联型以及电流源型和电压源型。在一些使用可控硅装置和制造大型硅整流的企业，在设计和使用的过程中都会增加整流的相数，在对整流相数进行增加的过程中可以通过使用三相整流、六相整流甚至更多相的整流来增加变流装置抵御谐波的危害。这对于港口配电系统中出现的比较大层次的谐波的减少是一种非常好的根治方法。对于逆变和整流产生的谐波在抑制的过程中的实施，可以通过两种方式来进行：1）在变频器前加装电源滤波器，这种方法是一种成本比较低的措施，其就是在电源侧加装三只680uf 250VAC的电容，然后分别接在L-grong、N-gyong和L-N上，这从这种方法可以明显的看出，电磁在干扰中电流会降到原来的1/10。 2）在变频器的电源电缆采用可以屏蔽的电缆，在接地的过程中采用穿铁管来接地，输出的电缆也采取同样的方法，而屏蔽层的接入要在变频器和电机两端都实施。变流装置是供电系统中主要谐波来源之一，想要增加变流装置中的相数，就需要通过采用这种方式来实施，改造使用中，变频器的电源可以采用屏蔽的电缆，在有效消除大幅值的低频相基础上，还可以有效的降低谐波电流的有效值。在抑制谐波对电气设备威胁中，采取分开动力装置和供电设备是因为在动力装置负荷变大时，其他测量、控制和微机等方面设备的负荷会有所减小，这样会加大动力装置所产生的干扰，但是供电电源在分开后，两者在相互隔离的状态中就会大大的减少谐波对电线源的干扰。

5 结束语

综上所述，本文通过对谐波所进行的研究，从中发现了谐波对港口电气设备会造成很大的危害，这不仅造成港口工作的难以进行，同时还增加了港口在设备上的资金投入，严重影响了港口的生产经济效益。面对这种情况所实施的防治措施就具有很好的使用性，上述的解决措施有效的改善了谐波对港口电气设备的影响，还保证了电气设备的稳定性，对于港口企业的电气设备应对谐波的危害中有着重要的价值，值得大力的推行。

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作者简介

郭子翚（1972-），男，工作单位：南京港口集团，工程师，研究方向：工程管理。