電網中諧波產生的原因、危害及治理措施

黃賢麗　張金剛

摘 要：隨著我國經濟的快速發展，電力用戶中大量非線性電力設備的應用，諧波問題越發引起人們的廣泛關注。在電網誕生之初，諧波就存在，因為發電機和變壓器本身就能夠產生諧波，但由于量小，并不會產生危害。然而，隨著用電設備種類的增多，以及具有諧波放大效應的并聯電容器的廣泛應用，諧波的危害變得越來越嚴重。大量諧波的存在會污染電網、影響電網中的設備和負荷，因此問題不容忽視。了解諧波產出的原因及危害，有助于我們更好地制定治理措施。文章對諧波產生的原因及危害進行了分析，并出了若干治理措。

關鍵詞：基波 諧波源 諧波治理

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0255-01

1 諧波源

如果電網中的電壓或電流波形是不理想的正弦波，表明其中有頻率高于50Hz的電壓或電流成分，該成分即為諧波。隨著非線性電力電子器件組成的電氣傳動自動化裝置的廣泛應用和容量的不斷增加，諧波污染給公用電網和其他用電設備的帶來的影響日益顯著。所以必須考慮諧波產生的原因和它帶來的危害，以及如何將危害減少到最小。

凡是能向電網注入諧波電流或諧波電壓的電氣設備統稱為諧波源。例如：換流設備、電弧爐、鐵芯設備、照明設備、某些生活日用電器等非線性電氣設備。

整流器、逆變器和變頻裝置等這一類電氣設備，這些設備的用途就是強行切斷或連通電流，因此通常要用整流元件的導通、截止特性，而正是這一過程會導致了大量諧波電流的產生。

工業上鋼鐵企業中所用的電弧爐也是一個很大的諧波源。電弧爐的熔化過程中，會發生填料不完全融化并結焦成塊狀固體的現象，這會導致電弧阻抗不穩定。當電極插入熔化金屬時，電極間會產生金屬性短路，此時，短路電流的限制通常要依靠電爐變壓器的阻抗和所串連的電抗器來完成。如果電弧的負阻抗特性（電弧的阻抗隨電流的增大而急劇減小）和熔化期三相電極出現反復不規則短路以及斷弧現象，那么此時電弧爐就會產生諧波電流。

各行各業中常用的各種變壓器及鐵芯電抗器的主要構成元件是鐵芯設備。而這種設備通常有很強的非線性的磁化特性，再加上變壓器的額定磁通密度B值一般都設計在其磁滯回線（B-H曲線）的拐點周圍，這很容易導致變壓器的勵磁電流為變成非正弦波形，大量的諧波電流（奇次諧波）隨之出現。

大部分工業和一部分日常生活中的照明設備。如高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈等。它們的發光原理是應用氣體放電。由于其伏安特性具有明顯的非線性特征，因而在發光過程中會產生一部分諧波電流。

在日常生活中常用的一些家用電器。如電磁爐、電冰箱、計算機、電視機、微波爐、電風扇、洗衣機、空調等家用電器，因內置調壓整流元件，在使用過程中也會對電網產生高次奇諧波。

2 諧波造成的危害大致列舉如下

（1）使電網電壓波形畸變，供電質量下降。供配電系統的電能質量包括電壓質量、波形質量、頻率質量。

（2）增肌交流發電機、電動機、發電機、線路等設備的損耗，變壓器、電動機、線路等損耗，導致其因局部發熱或絕緣老化等原因使用時間縮短。

（3）諧波電流引起無功功率增加，降低功率因素。

（4）造成電容器絕緣損壞。

（5）高次諧波含量高的電流能削弱斷路器的開斷能力。嚴重情況下，某些斷路器磁吹線圈會喪失工作能力。

（6）導致電子計算機失去控制、電子設備誤觸發、電子元件無法測試。

（7）導致使繼電保護動作失靈，如拒絕動作或動作有誤等。

（8）降低感應型電度表計量的準確性。

（9）使通信線路、信息線路產生噪聲，甚至造成故障。

（10）由諧波造成的大容量高壓變壓器的涌流過程能延續數秒，甚至更久，很可能會導致諧波過電壓。

3 諧波治理的技術措施

既然諧波產生的危害如此之大，那么對于諧波的治理和改善應該被各行各業益加重視起來。對于諧波治理的技術措施主要有以下幾個方面。

（1）采用短路容量較大的電網來對各類大功率非線性用電設備變壓器進行供電。因為電網短路容量大，則承受非線性負荷的能力高。

（2）對大功率靜止整流器，要想降低一次諧波含量，提高整流脈沖數是個行之有效的辦法，因為整流脈沖數越高，次數低的諧波就會被削去。如何才能提高整流脈沖數呢？主要有兩種方法：其一，調整整流變壓器二次側的相角差，可以通過增加整流裝置數量和按照諧波次數裝設分流濾波器的方式完成；其二，更改整理變壓器二次側的接線方式。

（3）選用D，yn11接線組別的三相配電變壓器。與Y，yn0以接線方式相比，以D，yn11接線的同容量的變壓器的空載損耗與負載要略大些，但三次及其整數倍以上的高次諧波激磁電流在原邊結成三角形條件下，可在原邊環流，與原邊結成Y型的情況下相比，能夠更好地抑制高次諧波電流。另外這種接線方式比Y，yn0接線方式具有小得多的零序阻抗，對解除單相接地故障十分有利。

（4）采用無源濾波方法。無源濾波是一種用電阻器、電容器和電抗器這些無源元件組成的濾波器來抑制進入公用電網的諧波電流的方法。其基本原理是使特定頻率的諧波電流流入濾波器中，從而大大降低流入公用電網的諧波電流量，從而達到濾波的效果。這種方法主要利用了電容器與電抗器的阻抗與頻率有關的特性，重點在于選擇濾波器的拓撲形式和電容器、電抗器的參數，以便于濾波器對于某特定頻率的諧波電流呈低阻抗。

4 結語

諧波治理對于電力系統的穩定運行有著重要的意義，它能改善電壓質量，提高功率因數，減少設備損耗，延長用戶設備使用壽命。對于工業用戶來說不僅可以減少設備損耗，還可以提高產品質量，降低生產費用。我國已經指定諧波的限值標準。我國現行的國家標準是《電能質量 公用電網諧波》GB/T14549-l993，該標準對各類電網的諧波值做了明確限定，其中包括交流額定頻率為50Hz，標稱電壓110kv及以下的公用電網。

參考文獻

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