电力系统谐波的危害与治理

何瑞花

（宁夏固原供电公司，宁夏 固原 756000）

【摘要】本文分析了电力系统谐波出现的原因，谐波的危害，并提出了治理谐波的办法。

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关键词 非线性负荷；谐波分量；整流设备；开关电源设备；滤波器

0　引言

电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。

随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量应用，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动可能，直接威胁电网的安全运行。

1　电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。

影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

（1）电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。

（2）交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

（3）交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

（4）开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：

电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性（如图1所示）。

此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大，而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少，电焊机应用的同时率就更小了，对整个电网的影响比较小，但在当时已发现在烧电焊时，局部低压电网的电压和电流变化很大，有较大的谐波影响。

交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零(如图2所示)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。

交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波(如图3所示)。

虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，因此它的谐波污染应引起足够关注。

开关电源设备目前应用很广，这类用电设备单台容量不大，但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

2　谐波的危害

谐波对电力系统电磁环境的污染轻则影响系统的用电效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行，危害面十分广泛。归纳起来其主要危害有：

（1）产生附加损耗,增加设备升温。

（2）恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。

（3）可能引起电机的机械振动。

（4）无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐波。无功补偿电容与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会对某次谐波电流起到放大作用，加剧了谐波危害。当它们构成的局部谐波回路的频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，就会造成危险的过电流和过电压。

（5）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。

（6）影响侧量仪表的精度，造成电能计量的误差。

（7）干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。

3　谐波治理的方法

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

（1）降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

①增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1／n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18．5％，7次谐波电流为基波电流的12％，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4．5％，7次谐波电流下降到基波电流的3％。

②脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。在PWM逆变器中，输出波形是周期性的，且每半波和1／4波都是对称的，幅值为±1，令第一个1／4周期中开关角为γi（i＝1，2，3，…，m），且0≤γ1≤γ2≤…≤γm≤π／2。假定γ0＝0，γm＋1＝π／2，在（0，π）内开关角α＝0，γ1，γ2，…，γm，π－γm，…，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里叶级数展开，得

由式可知，若要消除n次谐波，只需令bn＝0，得到的解即为消除n次谐波的开关角α值。

③三相整流变压器采用Y－d（Y／Δ）或D、Y（Δ／Y）的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

（2）在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

①无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

②有源滤波器

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

③防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

④加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

（3）改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

4　结束语

（1）在治理系统谐波时，应充分考虑系统中各种因素的影响，兼顾各个指标，选择合理有效的滤波方案；

（2）采用LC滤波器，应以滤波器组的综合滤波效果为原则，严格避免谐波放大现象的发生；

（3）滤波电容器电容量的选择既要满足滤波的要求，也要考虑无功补偿的需要，还应使电容器能承受过电流和过电压的影响；

（4）有源滤波器是一种新型动态滤波器，其谐波抑制能力大大优于LC滤波器。随着对电网谐波问题的日益重视和其成本的逐步降低，将具有广阔的应用前景。

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参考文献

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［责任编辑：汤静］