供電系統諧波的產生與治理

摘要： 本文從實際出發，由一個提高功率因數問題的解決，闡述了電力系統中諧波產生的原因、危害及治理的措施。

關鍵詞： 電力系統 諧波 治理

1.引言

一鋁材廠功率因數為0.85，廠內工程師為免交力率附加費，計劃進行無功補償來提高功率因數，但補償電容安裝以后功率因數卻降至0.72。

問題分析：

由于大量感性負載使用導致的功率因數低下，可通過在負荷側加裝靜電電容器來提高功率因數。（按規定，供電部門對功率因數過低的用戶收取額外的力率附加費）對有大量諧波分量的用戶，功率因數是基波位移功率因數（DPF）和一個較大的諧波分量的結合。當諧波分量較為顯著時，使用補償電容放大了諧波電流，使電路的綜合功率因數更差。

經過以上分析，判斷是由于此鋁材廠諧波污染較嚴重，最終解決方法是要采取一定的措施，把各用電系統諧波分量降到一定范圍以內。

2.諧波及其產生的原因

供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。

電網諧波來自于3個方面：①發電源質量不高產生諧波；②輸配電系統產生諧波；③用電設備產生的諧波。一般情況下，用電設備是主要諧波源。在理想情況下，電源提供時從電網取用非正弦電流，就是說，即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓，但由于它們的電壓和電流具有標準50Hz頻率的正弦波形，但在實際中供電電壓和電流的波形由于具有非線性阻抗特性的用電設備（又稱非線性負荷）用電，這些非線形負荷在工作具有電流不隨著電壓同步變化的非線形的電壓-電流特性，使得流過電網的電流是非正弦波形的，即這種電流是由基波與諧波成分組成，結果使其波形產生畸變。諧波電流流經電網阻抗，形成諧波電壓，導致電源系統的電壓波形畸變，使電能質量變壞，從而影響同一供電系統的其它負荷設備。

3、諧波的危害

供用電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個方面：

3.1對供配電線路的危害

首先會影響線路的穩定運行。供配電系統中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對含量在10%以下的諧波并不敏感，但諧波含量高達40%時將導致繼電保護系統誤動作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統的穩定與安全運行。其次會影響電網的質量。電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。

3.2對電力設備的危害

電力設備主要包括電力電容器、電力變壓器、電力電纜、電動機、低壓開關設備等。對電力電容器，當電網存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加，使電容器異常發熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象（本文開始提到的例子）。對電力變壓器，諧波使變壓器的損耗增大，電壓的波形變差，諧波還導致變壓器噪聲增大。對電力電纜由于諧波次數高頻率上升，趨膚效應明顯，使得電纜的允許通過電流減小。對電動機，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。另外當諧波電流的頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。對低壓開關設備的危害主要是會使設備的額定電流降低，現誤動作或不動作的現象。

4諧波的治理

4.1改善供電系統

對于供電系統來說，諧波的產生不可避免，但通過加大供電系統短路容量、提高供電系統的電壓等級、加大供電設備的容量、盡可能保持三相負載平衡等措施都可以提高電網抗諧波的能力。

4.2降低諧波源的諧波含量

在線路中對諧波源采取措施，最大限度地避免諧波的產生，這種方法能夠提高電網質量，可在很大程度上避免諧波造成的影響。

4.2.1采取脈寬調制（PWM）法

采用脈寬調制（PWM）技術，在所需要的頻率周期內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流電壓脈沖，這種方法可以大大抑制諧波的產生。

4.2.2增加整流器線路中的脈動數整流器件是電網中的主要諧波源，對于整流器件來說，增加整流脈動數，可以使波形平滑，諧波的產生量減少。

4.3在諧波源處吸收諧波電流

這是目前應用最廣泛的諧波抑制方法。主要有以下幾種：

4.3.1采用無源濾波器加以抑制

無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側，由L、R、C元件構成諧振回路，當諧振回路的諧振頻率與某一諧波頻率相同或相近時，即可阻止該頻率的諧波進入電網。

4.3.2采用有源濾波器加以抑制

利用可控的功率半導體器件，向電網中輸入與原有的諧波電流幅度相等相位相反的電流，使電網中的總諧波電流趨向于零，達到實時補償諧波的目的。

4.3.3通過加裝靜止無功補償裝置加以抑制

在諧波源處并聯加裝靜止無功補償裝置，可以有效減少波動的諧波量，同時，也可以抑制電壓波動、電壓閃變，還可以補償功率因數。

4.3.4防止電容器組對諧波的放大在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用，當諧波存在時，在一定的參數下電容器組會對諧波起到放大作用，危及電容器本身和附近其他電氣設備的安全，可以采取串聯電抗器或將電容器組的某一支路改為濾波器的方法來限制對諧波的放大，也可以通過限制電容器組的投入容量來避免電容器對諧波的放大。

結語

長期以來，國內供電系統和用戶較少注意到電網中諧波的影響，但隨著工業的快速發展，諧波的危害已不容忽視。諧波的治理是個綜合的過程，要從源頭抓起，加強設備的管理防止諧波的產生，更重要的是提高認識，積極進行諧波治理，防止災害的發生。

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