淺析高次諧波產生原因分析及抑制措施

【摘 要】通過對電力系統高次諧波產生的原因及危害的研究分析，著重探討電力系統抑制諧波的措施。

【關鍵詞】高次諧波；分析；抑制措施

0.前言

隨著高科技的飛速發展，各種新型用電設備也不斷地問世和使用，致使產生的高次諧波越來越多。而電力系統受到諧波影響后，輕則影響系統的運行效率，重則損壞設備以至危害電力系統的安全運行。正確認識諧波已成為電力工作者的重要任務之一。因此，研究和分析諧波產生的原因、危害和抑制諧波的措施具有重要的實際意義。

1.諧波產生的原因

在供電系統中諧波的發生主要是由兩大因素造成的：

1.1整流裝置和調壓裝置的廣泛使用，以及晶閘管在家用電器中的普通采用以及各種非線性負荷的增加導致波形畸變。

1.2設計設備理念的變化。過去傾向于采用在額定情況以下工作，現在為了參與競爭，對電氣設備傾向于采用在臨界情況下的設計。例如在設計中，為了節省材料使磁性材料工作在磁化曲線的情況下，而在這種情況內運行會導致激磁材料波形嚴重畸變。

2.諧波在電力系統中的危害

2.1對供配電線路的危害

2.1.1影響線路的安全穩定運行

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。由于電磁式繼電器、感應式繼電器在諧波影響下有時導致繼電保護誤動作，不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖有許多優點，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：配電系統中的中性線，由于空調、電磁爐等負載，會產生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達4096；三相配電線路中，相線上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；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。

2.2對電力設備的危害

2.2.1對電容器的危害

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。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，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。另外，諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質中誘發局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，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。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

2.2.2對電力變壓器的危害

諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、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，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網中的諧波含量。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大。變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數的增加，振動頻率在lkHz左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發出金屬聲。

2.2.3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

2.3.1對電動機的危害

諧波對異步電動機的影響，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。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，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當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。

2.3.2對低壓開關設備的危害

由于受諧波電流的影響，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，可能使斷路器異常發熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接觸器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。

2.3.3對弱電系統設備的干擾

對于計算機網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備，電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中，產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統。

2.3.4影響電力測量的準確性

目前采用的電力測量儀表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應型），當諧波較大時將產生計量混亂，測量不準確。

2.4諧波對人體的影響

從人體生理學來說，人體細胞在受到刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎上發生快速電波動或可逆翻轉，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

3.電力系統抑制諧波的措施

為了把諧波對電力系統的干擾（污染）限制在系統可以接受的范圍內，我國和國際上分別頒布了《電力系統諧波管理暫行規定》和“IEC標準”，明確了各種諧波源產生諧波的極限值。

3.1加裝串聯電抗器

電力部門和用戶均應校核接入電網的電力電容器組是否會發生有害的并聯諧振、串聯諧振和諧波放大，防止電力設備因諧波過電流或過電壓而損壞。為此，電力部門和用戶所安裝的電力電容器組，應根據實際存在的諧波情況，采取加裝串聯電抗器等措施。

3.2裝設由電容、電感及電阻組成的單調諧濾波器和高通濾波器

單調諧濾波器是針對某個特定次數的諧波而設計的濾波器，高通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器。應裝設的濾波器類型、組數及其調諧頻率（濾波次數），可由具體計算決定。

3.3增加整流相數

高次諧波電流與整流相數密切相關，即相數增多，高次諧波的最低次數變高，則諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改用12相或36相。當采用12相整流時，高次諧波電流只約占全電流的l%，危害性大大降低。當2臺以上整流變壓器由同一段母線供電時，可將整流變壓器一次側繞組分別交替接成Y型和△形，這就可使5次、7次諧波相互抵消，而只需考慮l1次、13次諧波的影響。由于頻次高，波幅值小，所以危害性減小。

4.結論

4.1諧波的發生會影響整個電力系統的運行，對系統安全穩定運行造成危害。

4.2對于諧波的管理要制定用戶電壓諧波含量限制標準，采取相應措施，嚴格控制，凈化電力系統環境。

4.3在日常工作配置中，提高PT與CT的精確度，盡量避免誤差的產生。

4.4加強對電網發供電運行狀況的監視，避免電器設備受諧波的影響而發生故障，在電網諧波量較高的地點，要逐步安裝諧波警報指示器以便進一步分析諧波情況，并采取措施，保證電力設備安全運行。

【參考文獻】

[1]電力系統諧波管理暫行規定.

[2]供用電系統.中國電力出版社.

[3]電壓波動與閃變.中國電力出版社.