淺談電力系統(tǒng)諧波危害及抑制

郭富龍

（揚州供電公司，江蘇 揚州 225600）

1 諧波產(chǎn)生源

電力系統(tǒng)的諧波由諧波源傳入電網(wǎng)中。現(xiàn)代化電力系統(tǒng)中，非線性設備作為諧波源，包括傳統(tǒng)非線性設備和現(xiàn)代電力電子設備兩大類。傳統(tǒng)非線性設備:包括變壓器，旋轉(zhuǎn)電機以及熒光燈等；現(xiàn)代電力電子非線性設備:有在工業(yè)界和現(xiàn)代辦公設備中廣泛使用的電子控制裝置和開關、電源、晶閘管控制設備等。

2 電力諧波的危害性分析

2.1 對電力系統(tǒng)的危害

2.1.1 影響電力線路的穩(wěn)定運行

供配電系統(tǒng)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在諧波含量10%以上時對動作值會產(chǎn)生影響，高達40%時會導致繼電保護誤動作，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(yōu)點，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產(chǎn)生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

2.1.2 影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量

電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調(diào)光燈、計算機等負載，會產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達40%；三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。

2.2 對電力設備的危害

對電力電容器的危害：當電網(wǎng)存在諧波，含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，不僅使電容器運行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，使電容器在運行中發(fā)生局部放電時電弧不能熄滅，對絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命，在諧波嚴重的情況下，還會引起電容器過負荷擊穿甚至爆炸。

對電力變壓器的危害：諧波使變壓器的銅耗增大，包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大。

對電力電纜的危害：由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

2.3 對用電設備的危害

對電動機的危害：由于集膚、磁滯、渦流等隨著諧波頻率的升高，使旋轉(zhuǎn)電機的鐵心和繞組中的附加損耗增加，降低效率，產(chǎn)生附加溫升，限制電機的運行條件。尤其是負序諧波在電動機中產(chǎn)生負序旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，減少電動機的出力。諧波過電壓威脅絕緣，有可能引起較大的諧波軸電壓，從而擊穿軸承油膜，這將縮短電動機的壽命，甚至損壞電機。諧波嚴重時會使電機產(chǎn)生機械諧振，發(fā)出巨大的噪聲。

對低壓開關設備的危害：對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生誤動作。

3 減少諧波影響的抑制、治理措施

3.1 降低諧波源的諧波含量

這種方法比較積極能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費用。具體方法有：

增加整流器的脈動數(shù)：整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應增大，而In≈l1/n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動數(shù)，可平滑波形，減少諧波。電力電子裝置常將6脈波的變流器設計成12脈波或24脈波變流器，以減少交流側(cè)的諧波電流含量。理論上脈波越多，對諧波的抑制效果越好，但是脈波數(shù)越多整流變壓器的結(jié)構越復雜，體積越大，變流器的控制和保護變得困難，成本增加。

脈寬調(diào)制法：脈寬調(diào)制技術的基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉(zhuǎn)換時刻，保證1/4波形的對稱性。根據(jù)輸出波形的傅立葉級數(shù)展開式，使需要消除的諧波幅值為零、基波幅值為給定量，達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技術有最優(yōu)脈寬調(diào)制、改進正弦脈寬調(diào)制、Δ調(diào)制、跟蹤型PWM調(diào)制和自適應PWM控制等。

三相整流變壓器采用Y/Δ或Δ/Y的接線：三相整流變壓器采用Y/Δ或Δ/Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11......等次諧波。

3.2 在諧波源處吸收諧波電流

這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法，目前常用的方式采用有無源濾波裝置和有源濾波裝置等。

無源諧波濾除裝置：無源濾波器也稱為LC濾波器，可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器，實際應用中常采用幾組單調(diào)諧濾波器和幾組高通濾波器組成一個濾波裝置，單調(diào)諧濾波器也叫單調(diào)諧濾波回路，其主要由控制器、電容器、電抗器和投切開關以及其控制回路和保護回路組成。無論高壓和低壓都是一樣的。高壓濾波器和低壓濾波器的區(qū)別，主要是使用的元器件的耐壓不同，其所承受的電流也不同，要求的安全距離也就不同，其設計和制造的難易程度也就有極大的區(qū)別。

有源諧波濾除裝置：有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多。其主要的應用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。

3.3 改善供電環(huán)境

選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電，減少諧波對其他負荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。

結(jié)語

隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時考慮電網(wǎng)的無功功率補償問題，是電力企業(yè)當前面臨的一大課題。針對這一課題深入研究，在設計、制造和使用非線性負載時，采取有力的抑制諧波的措施，不僅能夠改善整個網(wǎng)絡的電力品質(zhì)，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低電磁污染環(huán)境，減少能耗，提高電能利用率。

[1]宋文南.電力系統(tǒng)諧波分析[M].北京：水利電力出版社.1995.

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