電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害和治理措施

周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害和治理措施

周欒愛

(青島港灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266404)

闡述了電力網(wǎng)絡(luò)諧波的研究現(xiàn)狀，介紹了諧波在電力網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，指出了非線性負載是主要諧波源，分析了諧波對電力用戶的危害性，并提出了多種諧波治理措施，為實際生產(chǎn)解決諧波問題提供了方法。

電力網(wǎng)絡(luò)；諧波；危害性；治理措施

0 電力網(wǎng)絡(luò)諧波研究現(xiàn)狀介紹

上個世紀二三十年代，德國科研人員發(fā)現(xiàn)靜止變流器會導(dǎo)致電壓電流的變化，提出了電力網(wǎng)絡(luò)諧波的概念。隨著經(jīng)濟和技術(shù)的發(fā)展，各種先進的電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用，諧波問題就愈顯突出，科研人員越來越重視對諧波治理和抑制的研究。

我國自上世紀80年代開始研究諧波問題，經(jīng)過多年的努力，現(xiàn)已接近國際水平。國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值；GB 17625.1—1998《低壓電氣電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值》規(guī)定了電氣(電子)設(shè)備送出的諧波電流限值。

1 電力網(wǎng)絡(luò)的諧波

在電力系統(tǒng)中，發(fā)電、輸電、變電、用電等各個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波。一般在發(fā)電環(huán)節(jié)對發(fā)電機的接線進行改進，可使發(fā)電機發(fā)出的電壓基本上不含諧波分量。

1.1 諧波的分類

在電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波一般分為：穩(wěn)定的諧波和變化的諧波。

1.1.1 穩(wěn)定的諧波

由視頻設(shè)備和常用儀表等產(chǎn)生的諧波稱為穩(wěn)定的諧波，其大小不隨著時間的變化而變化。

1.1.2 變化的諧波

由現(xiàn)代電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波稱為變化的諧波，其大小隨著時間的變化而變化。

1.2 主要諧波源

在電力網(wǎng)絡(luò)中，諧波常由非線性負載產(chǎn)生。

1.2.1 非線性負載的類型

非線性負載是電力網(wǎng)絡(luò)的主要諧波源，主要有：(1) 變壓器、電動機、發(fā)電機、工業(yè)電爐等；(2) 在生產(chǎn)中應(yīng)用的電力電子裝置、電源、晶閘管設(shè)備等。其中，晶閘管設(shè)備包括整流器、逆變器、靜止無功補償裝置、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備；交流變直流的整流器用于直流電機驅(qū)動、直流穩(wěn)壓電源、充電器、高壓直流輸電等。

1.2.2 非線性負載的特點

非線性負載的特點是加到非線性負載上的電壓呈正弦交變，但流過的電流卻是非正弦量。這是因為此電流由工頻電流和諧波電流組成，如果諧波含量太高，就會使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。

1.3 不同行業(yè)的諧波含量分布

不同行業(yè)的諧波含量分布如表1所示。

表1 不同行業(yè)的諧波含量分布

目前，供電線路上的主要諧波源是現(xiàn)代電力電子設(shè)備，其諧波含量較高。

2 電力網(wǎng)絡(luò)諧波的危害

2.1 增大設(shè)備的有功功率損耗

諧波的危害體現(xiàn)在發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的有功功率損耗增大，會導(dǎo)致設(shè)備過熱，降低設(shè)備的輸出功率。

2.1.1 增大電機損耗

電網(wǎng)電源存在高次諧波分量時，導(dǎo)體的等值阻抗增大，電機的有功功率損耗也會增大。

2.1.2 增大變壓器損耗

電網(wǎng)存在諧波時，變壓器作“△”連接時，諧波會在變壓器線圈中形成環(huán)流，導(dǎo)致變壓器有功功率損耗顯著增大；變壓器作“Y”連接時，在諧振的情況下，負載等效于高阻抗，導(dǎo)致變壓器的鐵損和銅損增大。

2.1.3 增大輸電線路損耗

對輸電線路而言，諧波會大大增加輸電線路的有功損耗。當(dāng)電路中存在電感和電容時，某一頻率下，電路會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振；當(dāng)線路等值電路中存在分布電感和對地電容時，在諧波源作用下，電路發(fā)生諧振的可能性增大。在架空線路中，架空線路對地電容約為電纜線路對地電容的1/20—1/10，因此電纜線路容易出現(xiàn)諧波諧振和諧波電流放大，造成電氣設(shè)備的絕緣擊穿。

2.2 引起繼電保護和自動裝置的誤動作

為了保證設(shè)備的靈敏度，電力系統(tǒng)的繼電保護和安全自動裝置設(shè)計的整定值較小，有的動作值是以負序(基波)量為基礎(chǔ)設(shè)計的，對諧波十分敏感。因此，諧波對繼電保護和自動裝置的影響就會比較嚴重，有可能引起繼電保護和自動裝置的誤動作。

2.3 增大計量儀器的計量誤差

當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)中含有諧波分量時，感應(yīng)式電度表就不能正常工作(電度表是按工頻電流設(shè)計)。諧波源用戶會少交電費，電表計量的是：用戶消耗的基波電能-諧波電能；無諧波源用戶會多交電費，電表計量的是：用戶消耗的電能+諧波電能。

2.4 影響通信線路的正常工作

輸電線路上流過有效值較高的低頻諧波電流(奇數(shù)次)，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，會在靠近輸電線路的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，造成通信線路不能正常工作，影響通話的清晰度。

2.5 干擾用電設(shè)備的正常工作

諧波會導(dǎo)致變形的圖像出現(xiàn)在電視機屏幕上，造成計算機圖像畸變，屏幕亮度改變，還會導(dǎo)致電視機、電腦過熱和計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出錯。

3 電力網(wǎng)絡(luò)諧波治理措施

目前，電力網(wǎng)絡(luò)諧波的治理措施主要有3種：

(1) 受端治理，即增強無諧波源用戶的抗干擾能力；

(2) 主動治理，即抑制諧波源，使其盡量不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波；

(3) 被動治理，即在用戶側(cè)安裝濾波器，將諧波電流拒之門外。

3.1 受端治理

3.1.1 使用較大短路容量的變壓器

在配電網(wǎng)絡(luò)中，使用較大短路容量的變壓器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)變壓器短路容量大于諧波源的變壓器的容量20倍時，諧波源產(chǎn)生的諧波對電力網(wǎng)的安全運行就不會產(chǎn)生威脅，諧波電壓和諧波電流也不會超過規(guī)定值。

3.1.2 避免電容器放大諧波

(1) 選擇合適的電容器安裝地點，可有效避免電容器與電源感抗之間并聯(lián)諧振的產(chǎn)生，因為電容器安裝地點與電源間的阻抗不同，諧振頻率也會不一樣。

(2) 調(diào)整與電容器相串聯(lián)的電抗器，改變系統(tǒng)阻抗。

(3) 降低電容器的容量，以降低對諧波電流的影響。

(4) 將某些電容器組改為濾波器。

3.1.3 抑制變壓器諧波

(1) 變壓器某側(cè)作“△”連接，不會出現(xiàn)3次及3的倍數(shù)次諧波。

(2) 空載變壓器要及時停運，選用帶負荷調(diào)壓器，盡量避免變壓器過勵磁。

3.1.4 采用先進的抗諧波裝置

采用先進的抗諧波裝置，提高用電設(shè)備的抗諧波干擾能力，使其在一定諧波環(huán)境下也能正常工作，不受影響。

3.2 主動治理

3.2.1 增加整流裝置脈動數(shù)

其中：h為整流裝置產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)；p為脈動次數(shù)。

由式(1)可知：當(dāng)脈動次數(shù)增加時，諧波電流次數(shù)也增大。因此，增加整流裝置脈動數(shù)，可以消除一些次數(shù)較低、幅值較大的諧波。

3.2.2 關(guān)注產(chǎn)生諧波的裝置設(shè)備和生產(chǎn)方式

適當(dāng)分散或交替使用具有諧波互補性的裝置設(shè)備，適當(dāng)限制能產(chǎn)生大量諧波的工作方式。

3.2.3 聯(lián)合使用多個變流器

聯(lián)合使用多個變流器，疊加多個變流器輸出的方波，可消除頻率較低的諧波，使輸出的波形接近于正弦波。

3.2.4 疊加注入諧波

將諧波源產(chǎn)生3的倍數(shù)次諧波與矩形波相疊加，可以抵消某些諧波。

3.3 被動治理

3.3.1 采用LC濾波器

LC濾波器是由電容、電感和電阻按照一定比例配置而成的，具有結(jié)構(gòu)簡單、用戶投入少、運行維護費用低的優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的濾波方法。

3.3.2 采用有源濾波器

有源濾波器可補償諧波，實現(xiàn)動態(tài)跟蹤功能，還可以補償無功功率，在生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用，具有較好的前景。

4 結(jié)束語

電力網(wǎng)絡(luò)要安全穩(wěn)定運行，首先要保證用戶的電能質(zhì)量不受諧波干擾。但現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，給電力網(wǎng)絡(luò)帶來越來越嚴重的諧波污染。根據(jù)諧波研究現(xiàn)狀，介紹了電力網(wǎng)絡(luò)諧波源及其諧波的危害性，提出了諧波治理措施，為實際生產(chǎn)解決諧波問題提供了方法，具有一定的實用推廣價值。

2016-11-29。

周欒愛(1973—)，女，維修電工技師、講師，主要從事電力系統(tǒng)及自動化研究，email：zhouluanai@126.com。