諧波對低壓電器的影響及消除方法分析

【摘 要】諧波對低壓電器的影響主要表現為引起電氣設備（電機，變壓器和電容器等）附加損耗和發熱，使同步發電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短設備的使用壽命，甚至損壞：降低繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。

【關鍵詞】諧波；低壓電器；影響；消除

1. 前言

在供電系統中，產生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備（又稱為非線性負荷）供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞。因此，諧波是反映電力質量的重要指標之一。諧波的危害表現為引起電氣設備（電機、變壓器和電容器等）附加損耗和發熱：使同步發電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短設備的使用壽命，甚至損壞降低繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網后會使無功功率加大，功率因數降低，甚至有可能引發并聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。

2. 諧波產生的原因

諧波產生的根本原因是由于電力系統中某些設備和負荷的非線性特性，即所加的電壓與產生的電流不成線性（正比）關系而造成的波形畸變。當電力系統向非線性設備及負荷供電時，這些設備或負荷在傳遞（如變壓器）、變換（如交直流轉換器）、吸收（如電弧爐）系統發電機所供給的基波能量的同時，又把部分基波能量轉換為諧波能量，向系統倒送大量的諧波，使電力系統的正弦波形畸變，電能質量降低。諧波的產生主要來自下列具有非線性特性的電氣設備：

（1）具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備，如變壓器、電抗器等。（2）以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等。（3）以電力電子元件為基礎的開關電源設備，如各種電力變流設備（整流器、逆變器、變頻器）、相控調速和調壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關設備等，它們大量的用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業以及各式各樣的家用電器中。

3. 諧波對低壓電器的影響

3.1 諧波對變壓器的影響。

對變壓器而言，諧波電流可導致銅損和雜散損增加，諧波電壓則會增加鐵損。與純正基本波運行的正弦電流和電壓相較，諧波對變壓器的整體影響是溫升較高。須注意的是：這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升，進而導致變壓器的基波負載容量下降。為非線性負載選擇正確的變壓器額定容量時，應考慮足夠的降載因素，以確保變壓器溫升在允許的范圍內。還應注意的是由于諧波所造成的額外損失將按所消耗的能量（千瓦/小時）將反應在電費上，而且諧波也會導致變壓器噪聲增加。

3.2 諧波對電力電纜的影響。

在導體中非正弦波電流所產生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，則非正弦波會有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應和鄰近效應所引起的，而這兩種現象取決于頻率及導體的尺寸和間隔。這兩種效應如同增加導體交流電阻，進而導致I2Rac損耗增加。

3.3 諧波對電動機的影響。

（1）諧波電流和電壓對感應所造成的主要效應為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導致電動機效率大為降低，并影響轉矩。當設備負荷對電動機轉矩的變動較敏感時，其扭動轉矩的輸出將絕對影響所生產產品的質量。

（2）對于旋轉電機設備，與正弦磁化相比，諧波會增加噪音量。像五次和七次這種諧波源，在發電機或電動機負載系統上，可產生六次諧波頻率的機械振動。機械振動是由振動的扭矩引起的，而扭矩的振動則是由諧波電流和基波頻率磁場所造成，如果機械諧振頻率與電氣勵磁頻率重合，會發生共振進而產生很高的機械應力，導致機械損壞的危險。

3.4 諧波對電子設備的影響。

（1）電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點。這兩點對于不同類型的電力電子電路控制是至關重要的。控制系統對這兩點（電壓過零點與電壓位置點）的判斷錯誤可導致控制系統失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦必將造成對通訊設備的干擾。

（2）計算器和一些其它電子設備，如可編過程控制器（PLC），通常要求總諧波電壓畸變率（THD）小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導致控制設備誤動作，進而造成生產或運行中斷，導致較大的經濟損失。

3.5 諧波對斷路器和繼電保護裝置的影響。

（1）像其它設備一樣，諧波電流也會引起斷路器的額外損失，并提高溫升使基波電流承載能力降低。溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。

（2）機械式低壓斷路器的固態跳脫裝置，系根據電流峰值來動作，而此種型式的脫扣裝置會因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘。電子型脫扣裝置則根據電流的有效值（RMS）而動作，而機械式低壓斷路器的固態跳脫裝置，故當有大量諧波電流通過機械式低壓斷路器時有斷路器誤動作，造成非故障斷電事故。

（3）保護繼電器對波形畸變的響應很大程度取決于所采用的檢測方法，如保護繼電器無濾波形畸變電路，則會造成誤動作事故。

3.6 諧波對功率因數補償電容器裝置的影響。

（1）電容器與其它設備相比較有很大區別，因其容性特點在系統共振情況下可顯著的改變系統阻抗。電容器組的容抗隨頻率升高而降低，因此，電容器組起到吸收高次諧波電流的作用，此作用提高溫升并增加絕緣材料的介質應力。頻繁地切換非線性電磁組件會產生諧波電流，如變壓器。

（2）這些諧波電流將增加電容器的負擔。應當注意的是熔斷器通常不是用來當作電容器的過載保護。由諧波引起的發熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的大大縮短。

3.7 諧波造成的并聯諧振。

變速驅動器產生的諧波電流，在經由電容器組電容和電網電感形成的并聯諧振回路，可被放大到幾十倍，甚至上百倍。 被放大的諧波電流流經電容器可導致其內部組件過熱。須注意的是，在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成的損失要高于基波頻率電流。

3.8 諧波造成的串聯諧振。

在上一級電網系統電壓如發生波形畸變的情況下，由電容器組的電容和供電變壓器的短路電感形成的串聯諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器，串聯諧振可導致在變壓器的低壓側出現高的波形畸變。

4. 消除諧波的方法

4.1 不使用產生諧波的設備，當然，在現實生產生活中現在是做不到的。

4.2 加裝濾波裝置（包括無源濾波和有源濾波裝置） 。

（1）為了減少諧波對供電系統的影響，最根本的思想是從產生諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近防止諧波電流的產生，從而降低諧波電壓。

（2）防止諧波電流危害的方法，一是被動地防御，即在已產生諧波的情況下，采用傳統的無源濾波方法（由一組無源元件：電容器、電抗器和電阻器組成的調諧濾波裝置），減輕諧波對電氣設備的危害，同時進行功率因數補償。另一種方法是主動的預防諧波電流的產生，即有源濾波方法。其原理是利用可關斷電力電子器件產生與負荷電流中的諧波分量大小相等，相位相反的電流來消除諧波，其效果要比無源濾波方法好的多，但有源濾波不能進行功率因數補償，還需另外加裝功率因數補償裝置。

（3）此兩種消除諧波的方法各有特點：有源濾波（動態）消耗有功，制造與各次諧波相位相反的波形，抵消諧波； 動態響應快，可適合負載隨時變化的場合，但不能提高功率因數， 且價格太高。 無源濾波（靜態）不消耗有功，利用LC振蕩電路將諧波吸收并倒入地；動態響應慢，只適合負載相對穩定的場合（如雙拉生產線，紙張制造等），能提高功率因數，且價格較低。

可見，靜態的無源濾波裝置更加適合消除BOPP生產線的諧波。 在設計制造及使用靜態無源濾波裝置過程中最致命是如果濾波裝置的諧振點設計不當，或由于元件的性能不穩定等原因造成其頻率與諧波頻率相同，將會發生并聯諧振現象。其后果，輕者造成設備大批損壞，重者會發生人身事故。為避免這一現象的發生，在設計時均會將其諧振頻率設計為略小于諧波頻率。但此兩數值相差越大，其濾波效率約低。所以在所使用的元件長期使用都能保證性能優良的前提下才能將此兩數值設計為接近，當然其濾波效率也會大大提高。 詳細說明：不論何時，只要有非線性負載（直流驅動器、變頻器、UPS、及所有整流器）連接到母線上，而又打算在母線上連接電容器組，此時加裝無功功率補償系統，一定要倍加小心。

（4）為避免在連接電容器組之系統產生并聯或串聯諧振，應采用諧波濾波器或調諧式電容器組。 國家電管部門對諧波量有限制，通常要求必須安裝濾波電容器組，以滿足國標要求。有關典型的濾波電容器組的設置五次、七次、十一次諧波等3個濾波分支路。濾波分支路的數量取決于要吸收的諧波量和要補償的無功量。在某些情況下，甚至一個濾波分支路就可滿足電壓畸變的限制和目標功率因數。

（5）根據IEEE519-1992 標準，單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。例如，某些母線在不加電容器的情況下由非線性負載所引起的單次諧波電壓畸變，測量值低于3%，那么就可以將任何電氣設備連接到此母線上而無須顧忌。然而，不論什么時候，只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上，就會出現一個特定的并聯和串聯諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合，諧波電流和諧波電壓就會被明顯放大。

（6）在沒有諧波量限制的地方，可以使用調諧式電容器組。但是請記住，在此種情況下，諧波的主要成份都注入到上級電網。所需之段數則取決于負載功率因數和目標功率因數。設計調諧式電容器組時，通常須給出電壓畸變限制值。給出的低電壓典型值舉例如下：U3rd=0.5%U5th=5%U7th=5%。

（7）典型的調諧頻率是204Hz和189Hz，分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應。與使用6%的電抗器相比，7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負載。設計時要考慮電抗器鐵芯的線性度，使其涌流時以及在額定電壓畸變情況下不會出現飽和狀態。

5. 結語

（1）我國目前電能的30%是經過各類功率變換后供用戶使用的。隨著功率變換裝置容量的不斷增大、使用數量的迅速上升和控制方式的多樣性等，電力電子裝置的潛在負作用將日益突出。同時，家用電器、精密儀器設備發展迅猛，越來越多的電氣用戶對取用的電能形態和功率流動的控制與處理提出了新的要求。這樣，越來越嚴重的諧波污染與越來越高的電能質量要求形成了一對日趨尖銳的矛盾。

（2）綜上所述，對電能質量已經不能僅用頻率和電壓這兩個指標來評價了，諧波已成為電能質量另一個重要指標。因此，無論是從保障電力系統的安全、穩定、經濟運行的角度，還是從用戶用電設備的安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內，還電網一個潔凈的電氣環境，營造“綠色電網”，已經迫在眉睫。我國諧波治理的水平還比較低，對電力科技工作者來說，諧波治理問題的研究具有十分重大的理論和現實意義。

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[文章編號]1619-2737（2013）11-20-513