電力系統(tǒng)中的諧波及其抑制措施

1、電力系統(tǒng)中的諧波及其抑制措施供電公司 呂向陽【摘要】在電能質(zhì)量多種指標(biāo)中，受干擾性負(fù)荷影響，諧波是最為普遍的。 該文介紹了電力系統(tǒng)中的主要諧波源、諧波的危害及抑制措施。關(guān)鍵詞 諧波 抑制措施一、概述 在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓。但在實(shí) 際中供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形， 即產(chǎn)生諧波。 我們所說的 供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率 （在我國取工業(yè)用電頻率 50HZ 為基 波頻率）整數(shù)倍的正弦分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的根本 原因是由于給具有非線形阻抗的電氣設(shè)備 （又稱為非線形負(fù)荷） 供電的結(jié)果。 這 些非線形負(fù)荷在工作時(shí)向電源反

2、饋高次諧波， 導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、 電流波形畸 變，使電能質(zhì)量變壞。因此，諧波是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。供電系統(tǒng)中的諧波問題已引起各界的廣泛關(guān)注，為保證供電系統(tǒng)中所有的 電氣、電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、 和諧的工作， 必須采取有 力的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。二、諧波源 諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣 設(shè)備。在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)，當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線采取一些措施后，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī) 供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線形特性的電氣設(shè)備：（ 1

3、） 具有鐵磁飽和特性的鐵心設(shè)備，如：變壓器、電抗器： （ 2） 以具有強(qiáng)烈非線形特性的電弧現(xiàn)象的設(shè)備，如：氣體放電燈、交流 弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；（ 3） 以電力電子元件為基礎(chǔ)的電源設(shè)備，如：各種電力交流設(shè)備（整流 器、逆變器、變頻器） 、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè) 備等，它們大量的用在化工、電氣化鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣 的家用電器中。以上這些非線形電氣設(shè)備（或稱之為非線形負(fù)荷）的顯著的特點(diǎn)是它們從 電網(wǎng)取用非正弦電流， 也就是說，即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓， 但由于它們具有其電流不隨電壓同步變化的非線形的電壓電流特性， 使得流過 電網(wǎng)的電流

4、是非正弦波形的， 這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧 波組成， 即產(chǎn)生了諧波， 使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真， 此外電網(wǎng)還須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的 諧波提供額外的電能。接入低壓供電系統(tǒng)的非線形設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化 的諧波兩大類。 所謂穩(wěn)定的諧波電流是指這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化， 如視頻 顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波， 這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。 由 激光打印機(jī)、 復(fù)印機(jī)、 微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化， 稱之為波動(dòng) 的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系

5、統(tǒng)中的主要諧波源。三、諧波危害供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，降低設(shè)備的效率 和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻率電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集 膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加， 從而增加了設(shè)備的功率損耗、 電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。（ 1） 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響 諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁 滯、渦流等隨著頻率的增高而在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。 在供電系統(tǒng)中， 用戶的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的 85%左右。因此，諧波使電力 用戶電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響最

6、為顯著。 由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能按發(fā) 熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成 等值的基波負(fù)序電壓來考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)， 電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。 因此， 國際上一般建議在持續(xù) 工作的條件下，電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過額定電壓的 2%。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生 顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩， 可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問題。 這種震蕩力使氣輪發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使氣輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。（ 2） 對(duì)變壓器的影響諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是 3 次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連

7、接 的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對(duì)全星行連接的變壓器，當(dāng)繞 組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器 時(shí)，可能形成 3 次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。（ 3） 對(duì)輸電線路的影響 由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的生高而增加。在集膚 效應(yīng)的作用下， 諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。 在供電電網(wǎng)的損耗中， 變 壓器和輸電線路的損耗占了大部分， 所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。 諧波還使三相供 電系統(tǒng)中的中性線的電流增大， 導(dǎo)致中性線過載。 輸電線路存在著分布的線路電 感和對(duì)地電容， 它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)， 在一定參數(shù) 配

8、合條件下，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。 一般情況下， 并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的 諧波過電壓和過電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。 當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在 網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)， 會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振， 形成諧波放大。 在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會(huì)引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)， 以至損壞設(shè)備， 與此同時(shí)還產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。 對(duì)于電力電纜線路， 由于電 纜的對(duì)地電容比架空線路約大 1020 倍，而感抗約為架空線路的 1/21/3，因 此更容易激勵(lì)出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。（ 4） 對(duì)電力電容器的影響 隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損

9、耗增大、附加 損耗增加， 從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。 另一方面， 電容器的電容與 電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)， 就 會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大， 使得電容器因過熱、 過電壓等而不能正常運(yùn)行， 甚至損壞。2、影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響 十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度 高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾 （如電氣化鐵道、 電弧爐等諧波源還 是負(fù)序源） 則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng) （若誤動(dòng)引起跳閘， 則后果嚴(yán)重）、 變電站主變的復(fù)合電壓啟

10、動(dòng)過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)， 母線差動(dòng)保護(hù)的 負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。3、使測量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確由于電力計(jì)量裝置都是按50HZ的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷 電流中有諧波成分時(shí)， 會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。 在有諧波的情況下， 諧 波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能， 從 而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費(fèi)；而與此同時(shí)，在線形負(fù)荷用戶處， 電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能， 這部分諧波電能不但 使線形負(fù)荷性能變

11、壞， 而且還要多交電費(fèi)。 電子式電能表更不利于供電部門而有 利于非線形負(fù)荷用戶。4、干擾通信系統(tǒng)的工作電力線路上流過的 3、5、7、11 等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場 耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓， 干擾通信系統(tǒng)的工作， 影響通 信線路通話的清晰度， 而且在諧波和基波的共同作用下， 觸發(fā)電話鈴， 甚至在極 端情況下， 還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。 另外高壓直流換流站換相過程中產(chǎn) 生的電磁燥聲（3-10HZ）會(huì)干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作 和閉鎖和繼電保護(hù)裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。5、對(duì)用電設(shè)備的影響 諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度產(chǎn)生

12、波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱， 使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器 和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下， 形成某次諧波頻率下的諧振， 使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。 對(duì)于采用晶閘管 的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。四、抑制諧波的主要技術(shù)措施諧波問題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問題，它不但與供電部 門有關(guān)，而且還關(guān)系到廣大電力用戶和電器設(shè)備制造廠的切身利益。 為減少供電 系統(tǒng)的諧波問題，一般從管理上和技術(shù)措施上采取以下幾方面的對(duì)策：1、增加換流裝置的相數(shù) 換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，

13、 換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為 pk 1和pk（ p為整流相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)， k為正整數(shù)）。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效的消除幅度較大的低頻 項(xiàng)，（其特征諧波次數(shù)分別為12k1或12k），從而大大降低了諧波電流的有效值。2、加裝濾波裝置（包括無源濾波和有源濾波裝置）為了減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響， 最根本的思想是從產(chǎn)生諧波的源頭抓起， 設(shè)法在諧波源附近減少諧波電流， 從而減低諧波電壓。 防止諧波電流危害的方法， 裝設(shè)交流濾波器， 交流濾波器能有效地抑制諧波電流， 使電網(wǎng)電壓畸變減輕， 送 電質(zhì)量提高，同時(shí)，反過來又使大功率負(fù)荷的效率充分發(fā)揮，壽命相對(duì)延長，濾 波器

14、提供的容性無功， 還有一定的無功補(bǔ)償作用， 使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。 濾波 器按主回路中是否含有有源器件，可分為有源濾波器和無源濾波器兩類。3、加裝靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器（ SVC） 有的諧波源負(fù)荷除產(chǎn)生諧波電流外，還使供電系統(tǒng)的母線電壓波動(dòng)，并帶 來閃變。如大型軋機(jī)、電弧爐等負(fù)荷，使得電能質(zhì)量的幾個(gè)指標(biāo)都出現(xiàn)問題。為 了統(tǒng)一解決問題，常采用SVC與無源濾波器一起使用的方式，其中SVC只起快 速調(diào)節(jié)無功功率的作用。五、抑制諧波的其他技術(shù)措施1、加強(qiáng)系統(tǒng)承受諧波的能力（1）增大系統(tǒng)容量，可以增強(qiáng)系統(tǒng)承受諧波的能力并降低系統(tǒng)的諧波電壓 水平，但是有待于電力系統(tǒng)的發(fā)展。（2）將諧波源負(fù)荷改由容量較大的母

15、線供電，或改由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電。很多用戶的整流裝置經(jīng)由數(shù)千米饋線（6KV或10KV）供電，裝置供電母線 的短路容量較小， 由此產(chǎn)生的諧波干擾很大， 常使用戶附近的用電設(shè)備無法正常 工作。如果在設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)對(duì)諧波源負(fù)荷由容量較大的母線或高一級(jí)的電網(wǎng)供電， 則可避免這些問題。2、提高供、用電設(shè)備抗諧波干擾的能力 按電磁兼容的有關(guān)規(guī)定，系統(tǒng)中的各種供、用電設(shè)備的抗諧波干擾的能力應(yīng)高于系統(tǒng)的諧波兼容值。在設(shè)備的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)加以規(guī)定。3、合理選擇變壓器額定運(yùn)行磁密 電力變壓器在系統(tǒng)中量大、分布廣，變壓器的勵(lì)磁電流中的諧波不可忽視。制造廠家為了減少體積、 降低成本， 其額定運(yùn)行磁密一般取得

16、較高， 在額定電壓 下已接近飽和。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓提高 5%左右，勵(lì)磁電流會(huì)增加 40%以上，有的 甚至達(dá)到 1.0 被左右，造成諧波電流急劇上升，這是 HV、EHV 系統(tǒng)諧波電壓水 平偏高的重要原因之一。 因此降低變壓器的額定運(yùn)行磁密是降低系統(tǒng)電壓諧波水 平的措施之一。 降低變壓器額定運(yùn)行磁密會(huì)增加制造成本， 但從變壓器運(yùn)行角度 看，可以減少空載損耗和由諧波引起的附加損耗， 降低運(yùn)行費(fèi)用。 因此可以將兩 者進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以得出一個(gè)合理的變壓器額定運(yùn)行磁密。4、系統(tǒng)運(yùn)行電壓控制在合理的水平 系統(tǒng)運(yùn)行電壓高于額定電壓會(huì)給系統(tǒng)帶來諸多不利的影響。從目前看，系統(tǒng)諧波電壓一般在深夜至清晨這段時(shí)間內(nèi)較

17、高， 從而使變壓器鐵芯飽和， 勵(lì)磁電 流諧波增加， 而此時(shí)全網(wǎng)負(fù)荷較輕， 系統(tǒng)諧波阻抗增加， 使得系統(tǒng)諧波電壓水平 提高。從降低系統(tǒng)諧波電壓水平看， 將系統(tǒng)的運(yùn)行電壓控制在合理水平是有效措 施之一。5、并聯(lián)補(bǔ)償電容器組改造 如上所述，并聯(lián)補(bǔ)償電容器組在一定條件下可能產(chǎn)生諧波放大，根據(jù)設(shè)備情況應(yīng)將并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的串聯(lián)電抗器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。 當(dāng)附近存在較大的諧波 源時(shí)，應(yīng)將其改成單調(diào)諧濾波器并供出一定的無功功率， 這對(duì)于降低諧波水平是 一個(gè)有效的措施，其投資不會(huì)很高，效果將會(huì)很顯著。6、制定諧波源設(shè)備諧波電流限值標(biāo)準(zhǔn) 變壓器的空載電流諧波含量目前尚無標(biāo)準(zhǔn)。 雖然在按國標(biāo) GB1094-1 中要求測量變壓器的空載電流諧波含量， 但它屬于特殊試驗(yàn)項(xiàng)目， 不作強(qiáng)制性要求， 對(duì) 于測量方法和儀器沒作具體的規(guī)定， 測量結(jié)果也不作為產(chǎn)品是否合格的依據(jù)。 因 此即使是同一種型號(hào)的變壓器， 空載電流中的諧波含量差別很大， 特別是在測量 方法、測量設(shè)備及儀器上存在的問題更多， 致使很多測量結(jié)果可信度很低， 因此 有必要在相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其空載電流中的諧波含量限值加以規(guī)定； 對(duì)其測量