諧波產生、危害及抑制方法

韓賓

【摘要】的介紹了諧波危害，抑制諧波的常用方法，想通過此文以共行業內的專家共評、深討。

【關鍵詞】諧波、頻率、濾波器

【中圖分類號】TN713 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0016-02

隨著我國經濟的發展和工業化進程的加快，電力電子器件、變頻調速裝置及微電子技術元件等大量的非線性用電設備廣泛應用，使我國電力系統受到諧波污染狀況日益嚴重，降低了電力系統的供電質量。諧波已成為我國電力系統中的三大公害之一。諧波的產生、消除對研究和改善供電質量和確保電電力系統運行有著非常重要的意義。

一、諧波的產生

諧波產生的根本原因是由于電源本身電動勢的偏移和非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。基波式是頻率分量為I/T，諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據傅立葉分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。

諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、14，6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為100141，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于諧波對稱性關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n～1次諧波，例如5、7，11、13、17、19等。

二、諧波的來源

由于電網中的在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。電網諧波來自于以下幾個方面：

1、發電源質量不高產生諧波：發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。

2、輸配電系統產生諧波：輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和特性，鐵心的磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。

3、用電設備產生的諧波：

3.1 晶閘管整流設備：由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。這是最大的諧波源。

3.2 變頻裝置：變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。

3.3 電弧爐、電石爐：由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2 7次的諧波。

3.4 氣體放電類電光源：熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。經過分析與測量，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

3.5 家用電器：電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。

總而言之，諧波的產生，電網諧波來自于3個方面：一是發電源質量不高產生諧波；二是輸配電系統產生諧波；三是用電設備產生的諧波。其中用電設備產生的諧波最多。

三、諧波的危害：

1、對電力電網的危害：諧波電流進入電網后，引起電網的電壓畸變，使電能質量變差和浪費電網的容量。

2、對電力電容器的危害：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。在電容器投入在電壓已經畸變的電網中時，還可能使電網的諧波加劇，即產生諧波擴大現象。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。在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

3、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。

4、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。

5、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會使電動機產生機械振動并發出很大的噪聲。

6、對低壓開關設備的危害：低壓開關易受諧波的影響使鐵耗增大而發熱，且諧波次數越高影響就越大，它們都有可能造成誤動作。

7、對弱電系統設備的危害：電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，不但在鄰近電力線的通信線路中會產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，會觸發電話鈴響，甚至在某些嚴重的情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。

8、對使測量和計量儀器的危害：由于電力計量裝置都是按50Hz標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，電力測量儀表受諧波的影響較大。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。

9、對人體的危害：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。

四、諧波的抑制方法：

1、整機電源需留有較大貯備量：為了使測量、控制裝置能滿足負載較大變化范圍，因此在設計整機電源時，可給予較大貯備量，一般選取0.5～1倍余量。

2、增加換流裝置的相數：換流裝置是電力系統的主要諧波源之一。換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數，可以有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。

3、增裝動態無功補償裝置：增裝動態無功補償裝置能夠提高供電系統承受諧波的能力，在技術經濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動態無功補償裝置：靜止無功補償裝置或更先進的靜止同步補償裝置，以獲得補償負荷快速變動的無功需求、改善功率因數、濾除系統諧波、減少向系統注入諧波電流、穩定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統承受諧波的能力。

4、降低諧波源的諧波含量：在諧波源上采取治理措施，從源頭上最大限度地避免諧波的產生。這就需要在設計、制造和使用諧波源設備時，要注意諧波對供電系統及其供用電設備的影響，采取切實可行的治理措施。用電業務管理部門要嚴格把關，對于沒有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止其入網運行。

5、改變諧波元的配置和工作方式：將具有諧波互補性的設備應集中布置，否則應分散或交錯使用，適當限制諧波量大的工作方式，這樣可以減小諧波的影響。

6、選用D.YNll接線組別的三相配電變壓器

7、增加整流器的脈動數：三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線，三相整流變壓器采用Y/△或△/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。

8、加裝交流濾波裝置：采用交流濾波裝置在諧波源附近吸收諧波電流，降低連結點的諧波電壓，是抑制諧波污染的一種有效措施。濾波裝置由電阻、電容和電感等元件組成串聯諧振電路，利用其串聯諧振時阻抗最小的特性，這樣就消除了5、7、11等高次諧波。

9、采用濾波器：濾波器安裝在電力電子設備的交流側可阻止諧波流入電網。由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。

有源濾波器即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。

10、串聯電抗器或并聯電容器：在電網中并聯電容器組和采取串聯電抗器可以改善功率因數和調節電壓的作用。

11、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。

結束語

在我國電力系統中諧波問題越來越嚴重，直接擾亂了人們的正常生產和生活。我國電能質量治理工作的深入開展，要消除諧波污染，除在電力系統中大力發展高效的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力，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，減小諧波侵入電網，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經濟損失。隨著國民經濟、諧波抑制技術的進一步發展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。

參考文獻

[1]工業與民用配電設計手冊——任元會、

[2]諧波抑制和無功功率補償——王兆安

[3]電力系統諧波——吳竟昌

[4]供電系統中的諧波分析測量與抑制——陸廷信

[5]電力系統中的諧波問題——牛榮健、張曉琴