淺談電力系統諧波危害及抑制

郭富龍

（揚州供電公司，江蘇 揚州 225600）

1 諧波產生源

電力系統的諧波由諧波源傳入電網中?，F代化電力系統中，非線性設備作為諧波源，包括傳統非線性設備和現代電力電子設備兩大類。傳統非線性設備:包括變壓器，旋轉電機以及熒光燈等；現代電力電子非線性設備:有在工業界和現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 對電力系統的危害

2.1.1 影響電力線路的穩定運行

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在諧波含量10%以上時對動作值會產生影響，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。

2.1.2 影響電網的電能質量

電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變。如民用配電系統中的中性線，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載，會產生大量的奇次諧波，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生局部放電時電弧不能熄滅，對絕緣介質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、系統母線側及線路感抗與系統串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯，在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

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，使旋轉電機的鐵心和繞組中的附加損耗增加，降低效率，產生附加溫升，限制電機的運行條件。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，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生機械諧振，發出巨大的噪聲。

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質量，可大大節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：整流器是電網中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數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，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，但是脈波數越多整流變壓器的結構越復雜，體積越大，變流器的控制和保護變得困難，成本增加。

脈寬調制法：脈寬調制技術的基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉換時刻，保證1/4波形的對稱性。根據輸出波形的傅立葉級數展開式，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技術有最優脈寬調制、改進正弦脈寬調制、Δ調制、跟蹤型PWM調制和自適應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的整數倍次的電力諧波，從而使注入電網的諧波電流只有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，可分為單調諧濾波器、雙調諧濾波器和高通濾波器，實際應用中常采用幾組單調諧濾波器和幾組高通濾波器組成一個濾波裝置，單調諧濾波器也叫單調諧濾波回路，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展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內，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，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。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的供電系統。

3.3 改善供電環境

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的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電，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。

結語

隨著我國電能質量治理工作的深入開展，綜合動態的諧波治理措施并同時考慮電網的無功功率補償問題，是電力企業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絡的電力品質，同時也能延長用戶設備使用壽命，提高產品質量，降低電磁污染環境，減少能耗，提高電能利用率。

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