諧波對電氣運行設備的危害分析

廣東電力發展股份有限公司沙角A電廠 鄧奇鷹

在電氣設備正常運行過程中，諧波的出現不僅會降低電氣設備電壓的穩定性，增大斷路器跳閘的可能性，還會使得電氣設備中心線出現過熱的現象，進而影響整個電氣電路的供電安全，因此降低諧波的出現次數與頻率，成為一項必要的工作。

1 諧波的概念及產生原因

1.1 諧波的概念

諧波的電量一般為電流所含頻率基波的整數倍，若對周期性非正弦波進行傅里葉級數分解處理，那么諧波為大于基波頻率電流所產生的電量。現階段，在類似發電機、變壓器這類的旋轉設備中，通過空間諧波可以將諧波傳輸至電網中，在類似變壓器這樣的固定設備中，鐵芯的非線性可能會導致諧波的發生。

1.2 諧波產生原因

現階段，諧波產生的原因相對較多。具體來說，在科學、經濟快速發展的背景下，人們對電力資源的需求量不斷增長，為了在滿足人們用電需求的基礎上，降低電力供應工作給自然環境造成的破壞，光電、水電、風電等新型電能產生方式產生的電能被接入電網系統中，盡管這一情況的出現有效緩解了當前社會電能供應緊張的矛盾，但新能源系統的接入一方面使得原本由單個設備及其配套設施組成的電力系統變得更為復雜；另一方面，會導致電網系統中產生一定量的諧波，這些諧波的存在不僅會影響電網的供電質量，還會增大電氣運行設備的故障率。供電系統線路結構、電氣設備分布、非線性設備的使用等因素的存在，同樣會導致大量諧波的產生，同時非線性負載同樣會產生大量的諧波電流，如受家用電磁爐、微波爐等非線性設備在工作過程中會產生尖頂電流的影響，電源電壓的正弦波將會產生畸變，進而對電網體系的供電質量產生一定的影響[1]。

2 諧波對電氣運行設備的影響

2.1 電氣設備異常與諧波的關系

理想狀態下，電源頻率應當是固定的，幅值也符合規范要求的，但在電力資源的實際產生、消耗過程中，不可避免地會產生一定的諧波電流、電壓，這些電流、電壓的存在會對“污染”正常的電網體系，這一情況的出現會使用電設備的工作環境變得更為惡劣，對用電設備的正常工作狀態產生不利的影響，進而導致用供電質量的下降、電氣設備運轉狀態的異常、繼電保護裝置的誤動等問題的出現。

具體來說，一是電網系統帶負荷能力與電力設備運行成本之間將會呈現出反比例關系，若電網中存在大量的無功功率，那么電力設備運行成本必然會大幅度上漲。

二是諧波的存在會導致供電電壓波形變尖，峰值上漲，對于交流電磁設備來說，這一情況的存在會增大設備的鐵損、銅損以及絕緣材料承受對地電壓進而縮短設備的使用壽命、降低設備運行的可靠性。

三是若頻繁移動安裝電網中的電氣設備，那么電網出現諧振狀態的可能性將會大幅度上升，進而給用電設備的正常運轉造成阻礙。

四是對于電動機繞組來說，增加的諧波頻率會強化中電流的趨膚效應，知識電動機的渦流、磁滯損耗大幅度上升。同時，諧波過電壓將會導致泄漏電流增大這一情況的存在會降低定子繞組的絕緣性，致使防電擊穿現象出現。諧波電流的存在會增大脈動電磁轉矩，若負載阻轉矩過大，不可避免地會導致電磁噪聲的出現，這一情況的出現同樣會影響設備的正常運轉。對于機械設備來說，若共振增強，那么設備元件可能會出現扭曲變形的問題，降低設備的機械強度，強化機械疲勞，直至設備整體出現損壞，增大用電設備的使用成本，降低設備的使用效益。

五是繼電保護裝置作為保證電網系統安全運轉的重要設備，其工作電壓電流以正弦工頻特性為基礎完成的設計，并且在安裝過程中，繼電保護裝置與諧波源較近，這一情況的出現使得繼電器的動作特性容易受到諧波的干擾，進而影響設備應用的靈敏性，在實際使用過程中，增大繼電保護裝置拒動、誤動等問題的出現概率，降低電網系統應用的安全性[2]。

2.2 電氣驅動系統各部位與諧波的關系

2.2.1 電機部

三相交流電源產生的旋轉磁場，會導致奇次諧波的出現，這種諧波會與整流器相互作用，產生非對稱基本偶次諧波，這一情況的出現與電機旋轉效果存在著直接的聯系。

2.2.2 負載部

電機驅動過程中，被驅動的部分為負載，與負載相關的諧波群主要為反射高次諧波。電網系統中的電壓諧波量與其相對應的電壓峰值之間呈正比例關系，若電壓諧波量過高，那么電壓峰值不可避免地會增加，這一情況的出現使得電壓在通過電容器時，產生內部放電現象，導致電容器內部絕緣層被擊穿，影響電容器的工作質量。

2.2.3 變頻部

變頻部的諧波組成情況如下：一是驅動高次諧波群；二是復合系統的反射高次諧波群；三是控制高次諧波群。在變頻器實際工作過程中，設備輸出的諧波會對電機、電力電容、開關設備等部件產生威脅。如變頻部諧波會導致電機出現附加發熱現象，進而使電機因額外升溫而出現故障；變頻部諧波會導致電力電容過載，進而導致電容器被損壞；變頻部諧波會使開關設備在工作時，產生較高的瞬時電流，導致系統絕緣層被擊穿。

3 降低諧波出現概率的具體方法

3.1 降低非線性設備諧波含量

在諧波治理過程中，從整體上看，諧波電流與諧波次數之間大多呈反比例關系，盡管增加整流器的脈沖數與諧波次數之間存在正比例關系，但脈沖數與諧波源產生的諧波電流之間存在反比例關系，因此為了實現非線性設備諧波含量的有效降低，適度增加整流裝置的輸出脈沖成為一項極為必要的工作。同時，在直流調速設備中合理應用PWM脈沖寬度調制技術，那么變流器的諧波將會有小幅值、高頻率的特點，因此在諧波治理過程中，可以通過合理應用脈沖調制技術的方式，在控制基波幅值的基礎上，對低次諧波進行有效的抑制。

3.2 諧波源處吸收諧波

首先，作為應用R、L、C元件組成的諧振電路，將無源濾波器安裝在電氣設備的交流側，可以通過LC串聯并聯諧振特點，在電路中產生低阻抗的諧波通路，實現諧波的有效抑制。需要注意的是，這種方法在應用過程中對系統參數的影響較大，并且可能會放大系統工作中某次諧波的缺點。其次，若以電子振蕩電路為基礎，將與諧波大小相等、方向相反的電流注入電網系統中，那么電網中的諧波則可以通過相互抵消的方式，消除電網中的所有諧波。在實際應用過程中，這種諧波處理技術不會受到系統參數的影響，有著易于控制、響應速度快、可以實現多次諧波補償抑制等優點。再次，考慮到諧波源產生的諧波會使電網系統在供電過程中導致電壓出現不平衡的現象，降低電流供應的質量，現階段為切實解決上述問題，可以通過將靜止無功補償裝置應用到電網系統中的方式，補償供電電壓，穩定電網系統的電壓體系。同時，在靜止型動態無功補償裝置的實際使用過程中，若將裝置與無源濾波器并聯到電網系統上，那么既可以滿足電網對于無功補償的需要，改善功率因數，還能消除高次諧波對電力供應穩定性產生的影響，為電力穩定供應提供有效的支持。

3.3 應用電氣諧波故障診斷系統

3.3.1 系統構成

某款電氣設備諧波故障診斷系統的硬件部分主要由主控電路模塊、電壓采集模塊、波形轉換模塊、A/D轉換模塊、同步鎖相倍頻模塊、液晶顯示模塊這幾部分組成。具體來說，該款電氣設備諧波故障診斷系統中主控電路模塊的核心為P89V51RD2微處理器，該芯片中包含64KB的程序存儲器與1024字節的數據存儲單元，在實際應用過程中，可以滿足程序軟件的編寫要求。

電壓采樣模塊的核心元件為CVT電容性電壓互感器，這是一種內部由鐵芯與原、副繞組共同組成的電磁式電壓互感器，在實際應用過程中，這款互感器工作狀態較為穩定，并且不會因鐵芯飽和產生明顯的鐵磁諧振，將其應用到電氣設備諧波故障診斷系統中，可以有效避免因設備本身產生的諧波，對電壓采樣諧波造成的干擾。波形轉換模塊在應用過程中可以將電力中的正弦波轉化為可以進行倍頻處理的脈沖波，從而為較小信號的準確測定提供有效的支持。

A/D轉換模塊核心元件為單片高速12位的逐次比較型A/D轉換器，這種轉換器內部設置了雙極性電路構成的混合集成轉換芯片，在應用過程中有著功耗低、精度高等優點。同時，由于這一轉換模塊內部還設有時鐘脈沖源與基準電壓源，因此在使用過程中能夠提升模擬信號轉化為數字信號的精度，在將這一轉換器與單片機相連接時，可以實現波動較大信號的有效轉換。同步鎖相倍頻模塊核心芯片為CD4060，這一芯片主要由振蕩器與14位二進制串行計數器共同組成，在實際應用過程中，有著電壓范圍寬、輸入阻抗高等優點。液晶顯示模塊核心元件為LCD1602液晶顯示屏，在實際應用過程中，這款顯示屏最多可以顯示32個字符，并且有著功耗小、顯示內容豐富、較為輕薄等特點，將其應用到電氣設備諧波故障診斷系統中，可以實現測試效果的直觀顯示。

圖1為該系統的總體結構圖，在實際應用過程中，電壓互感電路是一種能夠將電氣設備中的交流電壓轉化為電壓信號的重要信息采集模塊，考慮到在實際采集過程中，電壓頻率可能存在一定的差別，進而給后續信號采集工作的準確性造成不利影響，可以通過將采集到的電壓信號傳輸至鎖相環倍頻電路中，將信號放大32倍，降低信號測試分析的難度。在信號放大工作完成后，可以將信號傳輸至數模轉換系統當中，使不易被分辨的模擬信號，轉化為數字信號，便于單片機實現數據信息的有效分辨，最后通過鍵盤控制的方式，保證測得的數據可以被顯示在液晶顯示屏上，便于人們的讀取。

圖1 電氣設備諧波故障診斷系統硬件總體結構

3.3.2 系統應用

考慮到在當前電氣設備運轉過程中，超過響應范圍諧波的存在對設備正常運轉會產生不利影響，因此對諧波的大小進行評估是開展諧波處理工作的重要基礎。現階段，電氣設備諧波故障診斷系統在應用過程中，采用非干預式預估法實現的電氣設備諧波評估，這一方法的應用并不會對系統的正常工作產生明顯的影響，并且通過系統本身的諧波源、可測定的數據參數等信息，可以實現系統側諧波阻抗的準確預估。

如圖2所示，在測定過程中，PCC為測量點，通過對測量點電壓進行測定的方式，了解系統側與用戶側諧波矢量疊加的諧波電壓與電流。然后在后續計算過程中，可以以某一時段內PCC點處諧波電流改變的情況為基礎，計算諧波阻抗。通過對計算結果進行分析可以了解到，電氣設備諧波故障診斷系統的合理應用可以實現電路諧波發射水平的有效評估，并且這一技術方法在應用過程中對系統負荷工作情況并不會產生干擾，因此這一系統有著較高的應用價值。

圖2 系統側與用戶側的等值電路

4 結論

在風電、光電等大量非線性電壓電流的應用過程中，電力設備遭到諧波干擾的可能性大幅度上升，現階段為切實降低這種干擾對電力供應穩定性產生的不利影響，在明確諧波產生原因的基礎上，應用電氣設備諧波故障診斷系統對諧波產生情況進行實時監控，然后在保證供電安全的基礎上，應用合適的諧波抵消處理技術消除諧波，成為一項切實降低諧波對電氣設備運行影響的舉措。