電力系統(tǒng)中諧波問題的探討

郭鳳香

（云南建源電力設(shè)計有限公司，云南 昆明 650011）

1 前言

電力系統(tǒng)中諧波問題日趨嚴(yán)重，諧波的存在對電力設(shè)備及絕緣會造成危害。本文介紹了諧波對金屬化膜電容器壽命的影響，并歸納出主要影響因素。

目前，電網(wǎng)中諧波干擾大量涌現(xiàn)，諧波問題日趨復(fù)雜，因此這方面課題也越來越受到研究者的重視。諧波的產(chǎn)生與近年來非線性設(shè)備的大量采用有很大關(guān)系，另外廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)變壓器和鐵芯電抗器也會產(chǎn)生諧波。國外經(jīng)驗表明，各種非線性電力設(shè)備容量的增長率超過電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備容量的增長率，這一事實(shí)說明諧波問題更突出。諧波的存在會影響整個電網(wǎng)環(huán)境，對電力設(shè)備以及絕緣造成不利影響。比如，諧波會使電廠設(shè)備絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗表明，受諧波影響而致?lián)p壞的電氣設(shè)備中，電力電容器比例最大。現(xiàn)在，金屬化膜電容器以其良好的自愈性能在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，因此，有必要了解諧波對金屬化膜電容器壽命的影響。

2 諧波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的源主要來自各種非線性用電設(shè)備，例如：電力電子裝置、電弧爐、家用電器以及變壓器和鐵芯電抗器等。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發(fā)電機(jī)，而在電力電子設(shè)備大量應(yīng)用之后，后者成為最主要的諧波源。

在各種電力電子裝置中，整流設(shè)備所占的比重最大。目前，常用的整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，比如直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源電壓相位大體相同，因此基波功率因數(shù)接近于1，但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。除此之外，逆變器、直流斬波器的應(yīng)用也較多，這些裝置所需的直流電源主要來自整流電路，因而諧波問題非常嚴(yán)重。可以看到交流側(cè)的電流是一段段的梯形波，而直流側(cè)的電壓也含有紋波，這說明整流器在交流側(cè)和直流側(cè)都要產(chǎn)生高次諧波。

變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性引起的。加在變壓器上的電壓通常是正弦電壓，因此鐵芯中磁通也是按照正弦規(guī)律變化的，但是由于鐵芯磁化曲線的非線性，產(chǎn)生正弦磁通的勵磁電流也只能是非線性的，勵磁電流變?yōu)榧忭敳ǎM(jìn)行傅立葉分析可知，其中含有全部奇次諧波，以3次為最大。此外，還有許多諧波源，比如電視機(jī)、熒光燈、個人計算機(jī)等，它們雖然單臺功率很小，但其龐大的數(shù)量所帶來的諧波污染也十分嚴(yán)重。

3 諧波對電力設(shè)備以及絕緣的損害

電能質(zhì)量指標(biāo)包括頻率、電壓和波形。交流電的波形是衡量電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)交流電的波形應(yīng)該是正弦波，但是由于電力系統(tǒng)中有諧波源的存在，使電壓和電流中都含有一些諧波分量。諧波的存在對電網(wǎng)是一種污染，它使電力設(shè)備所處環(huán)境變化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來損害，其危害主要有：

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

（2）諧波影響各種電力設(shè)備的正常工作，比如，諧波會使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗、機(jī)械振動和過電壓；會使變壓器局部過熱；使電容器、電纜等設(shè)備絕緣老化、壽命縮短以致?lián)p壞。

（3）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，加重上述（1）、（2）所帶來的危害。

（4）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。

由于諧波的存在會對電網(wǎng)造成危害，因此把諧波分量降低到容許的范圍內(nèi)是保證電能質(zhì)量的一項重要任務(wù)。

4 諧波對金屬化膜電容器老化的影響

金屬化膜電容器已大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，在很多情況下，比如作為并聯(lián)成套裝置的無功補(bǔ)償或者作為濾波器消除諧波，它都是在諧波干擾下運(yùn)行，因此，研究諧波對金屬化膜電容器壽命的影響十分重要。

具有諧波分量的試驗電壓U可由式（1）表示：

式中，ψ為基波與諧波的相位差，h為諧波次數(shù)，α為諧波的峰值系數(shù)（即諧波峰值與基波峰值的比值）。

諧波的存在會改變電壓波形，這不僅取決于諧波次數(shù)和諧波的峰值，而且與式（1）中基波與諧波的相位差ψ有關(guān)。

諧波會對電力設(shè)備絕緣產(chǎn)生加速老化效應(yīng)，在將諧波加于金屬化膜的實(shí)驗中，得出了金屬化膜的壽命數(shù)據(jù)。當(dāng)諧波改變電壓波形使峰值增大時（3次諧波在ψ＝180 °、5次諧波在ψ＝0 °時電壓峰值最大），膜壽命會顯著減小，可見，電壓峰值對金屬化膜的壽命有較大影響。

5 諧波影響金屬化膜電容器的主要因素

對低壓自愈式電容器在室溫下進(jìn)行了老化實(shí)驗，目的是要找出諧波影響金屬化膜電容器壽命的主要因素。實(shí)驗采用了一個可以線性調(diào)至1 000 Hz的電源，分12組進(jìn)行，每組電壓為基波與某次諧波分量的疊加。為了突出諧波的作用，加速老化，選擇諧波幅值大于基波幅值（這種情況在電網(wǎng)中也是存在的，比如并聯(lián)諧振可將在換流器交流側(cè)的諧波放大幾倍）。

考核電容器的性能，通常以電壓均方根值為標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定金屬化膜電容器應(yīng)能在工頻1.1倍額定電壓下長期運(yùn)行，因此電壓均方根值的大小顯然是壽命的影響因素之一。電壓波斜率越大，波形越尖銳，電容器壽命也就越短，同樣第3組和第9組的比較也證明了這一點(diǎn)。因此，可以歸納出諧波影響金屬化膜電容器壽命的三個因素是：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。而且，進(jìn)一步的研究表明，這三個因素中，電壓峰值的影響最大，均方根值的影響次之，而電壓波斜率的影響最小。

6 諧波對電網(wǎng)的影響

諧波對旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器的主要危害是引起附加損耗和發(fā)熱增加，此外諧波還會引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器振動并發(fā)出噪聲，長時間的振動會造成金屬疲勞和機(jī)械損壞。

諧波對線路的主要危害是引起附加損耗。

諧波可引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大。當(dāng)諧波引起系統(tǒng)諧振時，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起繼電保護(hù)及安全自動裝置誤動，損壞系統(tǒng)設(shè)備（如電力電容器、電纜、電動機(jī)等），引發(fā)系統(tǒng)事故，威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

諧波可干擾通信設(shè)備，增加電力系統(tǒng)的功率損耗（如線損），使無功補(bǔ)償設(shè)備不能正常運(yùn)行等，給系統(tǒng)和用戶帶來危害。

7 結(jié)束語

隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日趨嚴(yán)重，諧波的存在會對電力設(shè)備造成損壞，加速絕緣老化。諧波疊加后的電壓峰值對金屬化膜電容器老化有很大的影響，研究表明，對于金屬化膜電容器，諧波對其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。其中峰值對它壽命的影響最大。