淺析諧波對電氣設備的影響與治理

摘 要：諧波是電網的公害，嚴重影響供電的質量，甚至會造成重大事故的發生。文章對諧波的產生作了簡述，進而分析諧波對電氣設備造成的危害，最后提出諧波治理的方法。

關鍵詞：諧波；危害；濾波；治理

1 諧波的定義

諧波是指電路中所含有的頻率為基波整數倍的電量，是對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，所有大于基波頻率的電流所產生的電量，諧波次數多為正整數。

2 諧波產生的原因

供電系統線路結構、電器設備的分布以及非線性設備的使用都可能產生大量的諧波。電源本身產生的是諧波電壓。發電機因結構缺陷，使磁力線在電樞表面呈非正弦的分布，在繞組中產生的感應電動勢和感應電流也偏離正弦波形。多個這樣的電源并網時，總電源的電流也將偏離正弦波。供配電線路、設備的對地電容與網絡中的感性負載發生的諧振，不但產生了一定頻率的諧波輸入到電網中，更可將電網中的某諧波放大，而影響電網的供電質量。

非線性負載是諧波電流主要產生源。對于各種工業用變頻換流設備，電氣化機械設備，電弧爐及節能照明燈具、家用電磁爐、微波爐等非線型設備，均因其工作時產生的尖頂電流，使電源電壓的正弦波形發生畸變。線性負載工作時，因其總阻抗不產生動態變化，使其工作電流與電源電壓波形相同；而正弦電壓加壓于非線性設備時，因動態阻抗影響使其工作電流產生非正弦尖頂現象形成諧波電流。非線性負載產生的諧波頻率均為工頻頻率的整數倍。

3 諧波的危害及治理

3.1 危害

理想的電源應該是頻率固定，幅值符合規定的電壓。諧波電流和諧波電壓對供電網a絡產生污染，惡化用電設備的環境，使設備之間產生干擾，其危害表現在以下幾方面。

3.1.1 企業電費增加。電網中諧波產生的功率多為無功功率，使系統帶負荷能力下降，增加了電力運行成本。

3.1.2供電設備故障率增加。供電電壓因諧波使波形變尖而峰值增大，導致交流電磁設備鐵損增加，并且使絕緣材料承受的對地電壓增大。諧波電流增加了交流電磁設備的銅損，嚴重時產生較大的電磁噪聲、絕緣老化加速和局部過熱等現象，縮短電氣設備壽命，降低供電可靠性，甚至在生產過程中因斷電而造成嚴重后果。

3.1.3 供電質量下降。電網中的變壓器、電動機、整流變頻電子設備（諧波源）、電力電容器、電纜等設備，因經常性的移設安裝，而構成串并聯的諧振狀態。當電網結構及參數對某一頻率的諧波形成振蕩時，使諧波得到放大，在供電系統內產生過電壓、過電流現象，而危及系統的正常安全運行。

3.1.4 電氣設備工作異常。諧波頻率的增加會使電動機繞組中的電流趨膚效應增加，渦流與磁滯損耗增大。設備溫升因內部損耗增大而過快，降低工作效率，限制了工作條件。諧波過電壓會使泄漏電流增加，在其反復沖擊下定子繞組的絕緣性能不斷降低，導致放電或擊穿。而諧波電流產生的脈動電磁轉距，因負載阻轉矩的增加產生了轉速不穩現象，并產生較強的電磁噪聲。所拖動的機械設備因共振增強而造成機械扭曲變形，機械疲勞加劇、工作溫度升高降低機械強度及至設備損壞。軸承因諧波引起的較大諧波軸電壓擊穿軸承油膜而損傷，增大機械損耗縮短電機的壽命，甚至直接損壞電機。諧波導致變壓器工作性能嚴重下降，在全星形供電系統中，變壓器中性點裝有接地并聯電容器，或電網中分布電容較大時，易形成3次諧波諧振，增大其附加損耗，而影響其運行的可靠性；諧波電流不但使變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，還會使這些部件因電磁力的作用，而加劇機械振動增大噪聲。

3.1.5 繼電保護裝置拒動、誤動。繼電保護裝置是保證電網安全運行的重要設備，其工作時的電壓電流是以正弦工頻的特性設計的，而其安裝位置又非常接近諧波源，使繼電器的動作特性，極易受到諧波干擾而影響其靈敏性，造成拒動或誤動，引發中斷生產及安全事故。其影響大小與繼電器類型及工作原理相關。

當供電線路出現接地短路時，短路電流中較大的諧波分量，使整流型繼電器因取樣值偏小發生拒動現象。而整流型距離保護裝置的振蕩閉鎖發生誤動作，是因系統電流中的三相不對稱諧波，使負序濾波器產生較大的諧波輸出，造成整流后的直流脈動很大，使繼電保護裝置發生誤動。當采用電磁型電流繼電器進行短路保護時，流入繼電器的諧波電流使電磁轉矩增加而發生誤動作。諧波電壓對電磁型電壓繼電器的總阻抗影響較大，諧波電壓使過壓繼電器誤動，欠壓繼電器拒動。

3.1.6 諧波對通訊系統的影響。通訊線路與供電線路平行或間距較小時，使電網中的諧波在電磁感應的作用下，耦合到通訊線路內造成干擾，使信息失真甚至丟失，嚴重時將威脅通訊設備的正常工作及人身安全。

3.2 治理

諧波治理主要是以減少、消除進入電網的諧波電流來進行諧波抑制的，通過多重并舉的措施，使其控制在限定值之內。

3.2.1 降低非線性設備的諧波含量。（1）增加整流裝置的輸出脈沖。諧波電流近似與諧波次數成反比，雖然增加整流器脈沖數也會使產生的諧波次數增加，卻能使諧波源產生的諧波電流相應減小。（2）脈沖寬度調制技術。在直流調速設備中采用PWM脈沖寬度調制技術，能使變流器產生小幅值、高頻率諧波，在控制基波幅值的同時實現對低次諧波的抑制。

3.2.2 在諧波源處吸收諧波電流。（1）無源濾波器。無源濾波器是采用R、L、C元件構成的諧振電路，安裝在電氣設備的交流側，利用LC串并聯諧振的特點，對某次諧波形成低阻抗通路，達到抑制諧波的作用，其濾波效果受系統參數影響大，并有放大某一次數諧波的缺點。（2）有源濾波器。采用電子振蕩電路，向電網注入與諧波大小相等相位相反的電流，使電網中的總諧波電流為零。這種補償方法易控制響應快，能實現對多次諧波的補償抑制，不受系統參數影響，能自動跟蹤諧波變化，具有極強的自適應功能。（3）加裝靜止無功補償裝置。諧波源產生的諧波會使供電系統的電壓出現不平衡現象，影響供電的質量。采用靜止無功補償裝置，能有效穩定供電電壓。靜止型動態無功補償裝置與無源濾波器并聯，既能滿足無功補償、改善功率因數，又能消除高次諧波的影響。

3.2.3 其它治理措施。對電網中改善功率因數，起調節電壓作用的電容器組的安裝位置、容量及與之串聯的電抗器進行控制，可避免其對諧波的放大作用。開關電源、變頻裝置采用電源濾波、電氣屏蔽技術，可阻斷自身與電網間的諧波互擾。消除變壓器空閘合閘時和應涌流的產生，以及電壓互感器的鐵磁涌流，可有效地抑制諧波的產生，但要做好過電壓防護。

4 結束語

諧波不但使供電質量降低，在自動控制系統中還會造成數據丟失、運算錯誤等，甚至使繼電保護失靈損壞電氣設備。為提高電力系統繼電保護動作可靠性、靈敏性，采取多種治理措施相結合的辦法消除諧波，以確保電力系統安全高效的穩定運行。

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作者簡介：劉戰英（1972-），男，陜西榆林人，大專學歷，高級技師，神華神東煤炭集團維修中心電工技能大師，電工培訓師。