供電系統(tǒng)諧波講義

諧波的概念在理想的供電系系統(tǒng)中，電流流和電壓都是是正弦波的。在在只含線性元元件(電阻、電感感及電容)的簡單電路路里，流過的的電流與施加加的電壓成正正比，流過的的電流是正弦弦波。在實際際的電力系統(tǒng)統(tǒng)運行中，含含在許多非線線性負(fù)荷，當(dāng)當(dāng)電流流過與與所加正弦電電壓不呈線性性關(guān)系的負(fù)荷荷時，電流要要產(chǎn)生畸變，形形成非正弦波波電流。任何何周期性波形形均可分解為為一個基頻正正弦波加上許許多諧波頻率率的正弦波。供供電系統(tǒng)諧波波的定義是對對周期性非正正弦電量進(jìn)行行傅立葉級數(shù)數(shù)分解，除了了得到與電網(wǎng)網(wǎng)基波頻率相相同的分量，還還得到一系列列大于電網(wǎng)基基波頻率的分分量，這部分分電量稱為諧諧波。諧波是是一種干擾量量，使電網(wǎng)受受到“污染”。諧波頻率與與基波頻率的的比值（n=fn//f1）稱為諧波波次數(shù)。諧波波頻率是基頻頻的整倍數(shù)，例例如基頻為50Hz，二次諧波波為100Hz，三次諧波波則為150Hz。因此畸變變的電流波形形可能有二次次諧波、三次次諧波……可能直到第第三十次諧波波組成。諧波波源是指向公公用電網(wǎng)注入入諧波電流或或在公用電網(wǎng)網(wǎng)中產(chǎn)生諧波波電壓的電氣氣設(shè)備。諧波波電流朝諧波波阻抗小的方方向流動。高高一級電壓諧諧波阻抗比低低壓諧波阻抗抗小，所以諧諧波電流向上上一級電壓等等級系統(tǒng)流動動。2諧波的產(chǎn)生生電力網(wǎng)絡(luò)的每個個環(huán)節(jié)，包括括發(fā)電、輸電電、配電、用用電都可能產(chǎn)產(chǎn)生諧波，其其中產(chǎn)生諧波波最多的是用用電環(huán)節(jié)。(1)發(fā)電源產(chǎn)生生諧波：發(fā)電電機(jī)是由三相相繞組組成的的，從理論上上講，發(fā)電機(jī)機(jī)三相繞組必必須完全對稱稱，發(fā)電機(jī)內(nèi)內(nèi)的鐵心也必必須完全均勻勻一致，才不不致造成諧波波的產(chǎn)生，但但受工藝、環(huán)環(huán)境以及制作作技術(shù)等方面面的限制，發(fā)發(fā)電機(jī)總會產(chǎn)產(chǎn)生少量的諧諧波。(2)輸配電系統(tǒng)統(tǒng)產(chǎn)生諧波：：輸電和配電電系統(tǒng)中存在在大量的電力力變壓器。因因變壓器內(nèi)鐵鐵心飽和，磁磁化曲線的非非線特性以及及額定工作磁磁密位于磁化化曲線近飽和和段上等諸多多因素，致使使磁化電流呈呈尖頂形，內(nèi)內(nèi)含大量奇次次諧波。變壓壓器鐵心飽和和度越高，其其工作點偏離離線性就越遠(yuǎn)遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧諧波電流就越越大，嚴(yán)重時時三次諧波電電流可達(dá)額定定電流的5%。(3)用電設(shè)備產(chǎn)產(chǎn)生的諧波：：用電環(huán)節(jié)諧諧波源更多，晶晶閘管式整流流設(shè)備、變頻頻裝置、充氣氣電光源以及及家用電器，都都能產(chǎn)生一定定量的諧波。晶閘管整流流技術(shù)在電力力機(jī)車、充電電裝置、開關(guān)關(guān)電源等很多多方面被普遍遍采用。它采采用移相原理理，從電網(wǎng)吸吸收的是半周周正弦波，而而留給電網(wǎng)剩剩下的半周正正弦波，這種種半周正弦波波分解后能產(chǎn)產(chǎn)生大量的諧諧波。有統(tǒng)計計表明，整流流設(shè)備所產(chǎn)生生的諧波占整整個諧波的近近40%，是最大的的諧波源。變頻原理常常用于水泵、風(fēng)風(fēng)機(jī)等設(shè)備中中，變頻一般般分為兩類：：交-直-交變頻器和和交-交變頻器。前前者將380V/50Hzz工頻電源經(jīng)經(jīng)三相橋式可可控硅整流，變變成直流電壓壓信號，濾波波后由大功率率晶體開關(guān)元元件逆變成可可變頻率的交交流信號。后后者將固定頻頻率的交流電電直接轉(zhuǎn)換成成相數(shù)一致但但頻率可調(diào)的的交流電。兩兩者均采用相相位控制技術(shù)術(shù)，所以在變變換后會產(chǎn)生生含復(fù)雜成分分(整次或分次)的諧波。因因變頻裝置一一般具有較大大功率，所以以也會對電網(wǎng)網(wǎng)造成嚴(yán)重的的諧波污染。電弧爐、電電石爐。由于于加熱原料時時電爐的三相相電極很難同同時接觸到高高低不平的爐爐料，使得燃燃燒不穩(wěn)定，引引起三相負(fù)荷荷不平衡，產(chǎn)產(chǎn)生諧波電流流，經(jīng)變壓器器的三角形連連接線圈而注注入電網(wǎng)。其其中主要是2-7次的諧波，平平均可達(dá)基波波的8%-200%，最大可達(dá)45%。充氣電光源源和家用電器器更是常見的的諧波源，如如熒光燈、高高壓汞燈、高高壓鈉燈與金金屬鹵化物燈燈應(yīng)用氣體放放電原理發(fā)光光，其伏安特特性具有明顯顯的非線性特特征。計算機(jī)機(jī)、電視機(jī)、錄錄像機(jī)、調(diào)光光燈具、調(diào)溫溫炊具、微波波爐等家用電電器，因內(nèi)置置調(diào)壓整流元元件，會對電電網(wǎng)產(chǎn)生高次次奇諧波；電電風(fēng)扇、洗衣衣機(jī)、空調(diào)器器含小功率電電動機(jī)，因不不平衡電流的的變化也能使使波形改變。產(chǎn)產(chǎn)生一定量的的諧波。這類類設(shè)備功率雖雖小，但數(shù)量量多，也是電電網(wǎng)諧波源中中不可忽視的的因素。3諧波的危害害諧波作為一種污污染，對電網(wǎng)網(wǎng)危害十分嚴(yán)嚴(yán)重，它使電電能的生產(chǎn)、傳傳輸和利用的的效率降低，使使電器設(shè)備過過熱、產(chǎn)生振振動和噪聲，并并使絕緣老化化、使用壽命命縮短，甚至至發(fā)生故障或或燒毀，它可可引起電力系系統(tǒng)局部諧振振，使諧波含含量放大，造造成電容器等等設(shè)備損壞，它它能引起繼電電保護(hù)和自動動裝置誤動作作，使電能計計量出現(xiàn)混亂亂。另外，還還對通訊設(shè)備備和電子設(shè)備備產(chǎn)生嚴(yán)重干干擾等等。電電力系統(tǒng)中諧諧波的危害概概括起來有以以下幾個方面面：(1)增加輸、供供和用電設(shè)備備的額外附加加損耗，使設(shè)設(shè)備的溫度過過熱，降低設(shè)設(shè)備的利用率率和經(jīng)濟(jì)效益益：諧波電流流使輸電線路路的電能損耗耗增加。當(dāng)注注入電網(wǎng)的諧諧波頻率位于于在網(wǎng)絡(luò)諧振振點附近的諧諧振區(qū)內(nèi)時，對對輸電線路和和電力電纜線線路會造成絕絕緣擊穿。諧諧波會大大增增加電力變壓壓器的銅損和和鐵損，降低低變壓器有效效出力，諧波波導(dǎo)致的噪聲聲，會使變電電所的噪聲污污染指數(shù)超標(biāo)標(biāo)。對于電力力電容器，諧諧波會導(dǎo)致端端電壓升高，損損耗加大，電電容器發(fā)熱，加加速老化，從從而縮短使用用壽命。配網(wǎng)中使用用大量異步電電動機(jī)，產(chǎn)生生的諧波會增增加附加損耗耗。負(fù)序諧波波產(chǎn)生的負(fù)序序旋轉(zhuǎn)磁場，會會產(chǎn)生制動力力矩，影響電電動機(jī)的有功功出力。對斷斷路器而言，無無論其構(gòu)成元元件為電磁的的、還是熱磁磁的、亦或電電子的，都可可能受諧波的的影響誤動。(2)影響繼電保保護(hù)和自動裝裝置的工作可可靠性：對于電磁式式繼電器來說說，電力諧波波常會引起繼繼電保護(hù)及自自動裝置誤動動或拒動，使使其動作失去去選擇性，可可靠性降低，容容易造成系統(tǒng)統(tǒng)事故，嚴(yán)重重威脅電力系系統(tǒng)的安全運運行。(3)對通訊系統(tǒng)統(tǒng)工作產(chǎn)生干干擾：電力線路上上流過的幅值值較大的奇次次低頻諧波電電流通過磁場場耦合時，會會在鄰近電力力線的通信線線路中產(chǎn)生干干擾電壓，干干擾通信系統(tǒng)統(tǒng)的工作，影影響通信線路路通話的清晰晰度，甚至在在極端的情況況下，還會威威脅著通信設(shè)設(shè)備和人員的的安全。(4)對用電設(shè)備備的影響：電力諧波會會使電視機(jī)、計計算機(jī)的圖形形畸變，畫面面亮度發(fā)生波波動變化，并并使機(jī)內(nèi)的元元件溫度出現(xiàn)現(xiàn)過熱，使計計算機(jī)及數(shù)據(jù)據(jù)處理系統(tǒng)出出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)嚴(yán)重甚至損害害機(jī)器。電力諧波還還會對測量和和計量儀器的的指示不準(zhǔn)確確及整流裝置置等產(chǎn)生不良良影響，電能能表是評價電電能消耗重要要而基本的測測量工具，是是用戶繳費的的憑證，而諧諧波可能使電電能計量產(chǎn)生生較大誤差，嚴(yán)嚴(yán)重時會導(dǎo)致致計量混亂。(5)對人體的影影響：對于人人體，諧波會會刺激人體細(xì)細(xì)胞，使正常常的細(xì)胞膜電電位發(fā)生快速速波動或可逆逆的翻轉(zhuǎn)，當(dāng)當(dāng)這種波動或或翻轉(zhuǎn)頻率接接近諧波頻率率時，會影響響人體大腦與與心臟。4諧波的測量量諧波的危害程度度在生產(chǎn)實踐踐中不易覺察察到，需要使使用諧波測量量儀進(jìn)行專業(yè)業(yè)測量和計算算，諧波測量量儀分為攜帶帶式及固定接接線式。諧波波測量對抑制制諧波有著重重要的指導(dǎo)作作用：檢定實實際網(wǎng)絡(luò)諧波波源用戶的諧諧波水平是否否符合標(biāo)準(zhǔn)的的規(guī)定；了解解和掌握各種種電力設(shè)備投投運前、后相相關(guān)系統(tǒng)的諧諧波水平及其其變化、檢驗驗諧波對有關(guān)關(guān)設(shè)備的影響響；諧波故障障和異常的原原因測量，以以找到應(yīng)采取取的相應(yīng)對策策；諧波專題題測試還可以以便于了解諧諧波源特性、系系統(tǒng)諧波阻抗抗、諧波潮流流分布和諧波波放大現(xiàn)象等等。（1）測量條件件諧波電壓（或或電流）測量量應(yīng)選擇在電電網(wǎng)正常供電電時可能出現(xiàn)現(xiàn)的最小運行行方式，且應(yīng)應(yīng)在諧波源工工作周期中產(chǎn)產(chǎn)生的諧波量量大的時段內(nèi)內(nèi)進(jìn)行（例如如：電弧煉鋼鋼爐應(yīng)在熔化化期測量）。當(dāng)當(dāng)測量點附近近安裝有電容容器組時，應(yīng)應(yīng)在電容器組組的各種運行行方式下進(jìn)行行測量。測量量的諧波次數(shù)數(shù)一般為第2至第19次，根據(jù)諧諧波源的特點點或測試分析析結(jié)果，可以以適當(dāng)變動諧諧波次數(shù)測量量的范圍。對對于負(fù)荷變化化快的諧波源源（例如：煉煉鋼電弧爐、晶晶閘管變流設(shè)設(shè)備供電的軋軋機(jī)、電力機(jī)機(jī)車等），測測量的間隔時時間不大于2min，，測量次次數(shù)應(yīng)滿足數(shù)數(shù)理統(tǒng)計的要要求，一般不不少于30次。對于負(fù)負(fù)荷變化慢的的諧波源（例例如：化工整整流器、直流流輸電換流站站等），測量量間隔和持續(xù)續(xù)時間不作規(guī)規(guī)定。諧波測測量的數(shù)據(jù)應(yīng)應(yīng)取測量時段段內(nèi)各相實測測量值的95%概率值中最最大的一相值值，作為判斷斷諧波是否超超過允許值的的依據(jù)。為了了實用方便，實實測值的95%概率值可按按下述方法近近似選?。簩崪y值按由由大到小次序序排列，舍棄棄前面5%的大值，取取剩余實測值值的最大值。（2）諧波電壓及電流限值諧波電流進(jìn)入供電系統(tǒng)后將產(chǎn)生諧波電壓，影響到連接在同一母線的其他負(fù)荷或連接同一電源的臨近裝置。因此，國家規(guī)定諧波造成電網(wǎng)電壓波形畸變率極限和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流允許值應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。對用戶進(jìn)行考核時，不應(yīng)考核電壓波形畸變率，而應(yīng)考核諧波電流值不超標(biāo)，這是因為在用戶處諧波電壓測得值低，流經(jīng)線路后，流入變電所出口時諧波電壓升高。而諧波電流是恒流，保持不變。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》中列出了有關(guān)諧波電壓及電流的限值。表1公用電網(wǎng)網(wǎng)諧波電壓（相相電壓）限值值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓kV電壓總諧波畸變變率%各次諧波電壓含含有率，%奇次偶次0.385.04.02.06(10)4.03.21.635(66)3.02.41.21102.01.60.8公共連接點的全全部用戶向該該點注入的諧諧波電流分量量（方均根值值）不應(yīng)超過過表2規(guī)定的允許許值。注入公共連接點點的諧波電流流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓kV基準(zhǔn)短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值，A2345678910111213141516171819200.381078623962264419211628132411129.7188.6167.8610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.63525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.2諧波含量（電壓壓或電流）——從周期性交交流量中減去去基波分量后后所得的量。諧諧波含有率（HR）——周期性交流流量中含有的的第h次諧波分量量的方均根值值與基波分量量的方均根值值之比。第h次諧波電壓壓含有率以HRUh表示，第h次諧波電流流含有率以HRIh表示?？傊C諧波畸變率（THD）——周期性交流流量中的諧波波含量的方均均根值與其基基波分量的方方均根值之比比。電壓總諧諧波畸變率以以THDu表示，電流流總諧波畸變變率以THDi表示。當(dāng)公公共連接點處處的最小短路路容量不同于于基準(zhǔn)短路容容量時，諧波波電流允許值值需進(jìn)行換算算，修正公式式為Ih=式中：Sk1——公共連接點點的最小短路路容量，MVA；Sk2——基準(zhǔn)短路容容量，MVA；Ihp——表2中第h次諧波電流流允許值，A；Ih——短路容量為Sk1時的第h次諧波電流流允許值，A。同一公共共連接點的每每個用戶向電電網(wǎng)注入的諧諧波電流允許許值按此用戶戶在該點的協(xié)協(xié)議容量與其其公共連接點點的供電設(shè)備備容量之比進(jìn)進(jìn)行分配。在在公共連接點點處第i個用戶的第h次諧波電流流允許值Ihi按下式計算算：Ihi=IIh式中：Ih——換算后的第h次諧波電流流允許值，A；Si——第i個用戶的用用電協(xié)議容量量，MVA；St——公共連接點點的供電設(shè)備備容量，MVA；α——相位迭加系系數(shù)，按表3取值。5諧波的治理理針對諧波的產(chǎn)生生和傳播的特特點，應(yīng)采取取相應(yīng)的隔離離、補償和減減小措施。可可能的解決方方法有：(1)改善供電結(jié)結(jié)構(gòu)：選擇合理的的供電電壓，并并盡可能保持持三相電壓平平衡。盡量將將產(chǎn)生大量諧諧波的非線性性負(fù)荷與基本本上不產(chǎn)生諧諧波的用電設(shè)設(shè)備分在不同同供電母線上上。因為將多多個諧波源接接于同一段母母線上，利用用諧波的相互互補償作用可可降低電網(wǎng)諧諧波含量。(2)裝設(shè)濾波器器：濾波器通常常安裝在非線線性負(fù)荷側(cè)母母線上，使其其固有頻率按按要求和某些些特征頻率共共振，從而吸吸收大部分諧諧波源注入電電網(wǎng)的諧波電電流。濾波器器可分為有源源濾波器和無無源濾波器兩兩大類。無源源諧波抑制裝裝置由濾波電電容器、電抗抗器和電阻器器組合而成，與與諧波源并聯(lián)聯(lián)，除起濾波波作用外，還還兼顧無功補補償?shù)男枰?。其其結(jié)構(gòu)簡單、投投資少、運行行可靠性較高高以及運行費費用較低，至至今仍是諧波波抑制的主要要手段。有源源濾波器產(chǎn)生生一個與諧波波電流大小相相等而極性相相反的補償電電流，使電網(wǎng)網(wǎng)電流只含基基波分量，補補償性能好，但但容量大、成成本高。(3)裝設(shè)靜止無無功補償裝置置，對大型電電弧爐及晶閘閘管控制的軋軋鋼機(jī)等非線線性設(shè)備，由由于其負(fù)荷是是沖擊性的，而而且是隨機(jī)的的，因此宜裝裝設(shè)能吸收動動態(tài)諧波電流流的靜止無功功補償裝置，提提高供電系統(tǒng)統(tǒng)承受諧波的的能力。(4)對于大容量量的電力設(shè)備備，特別是大大容量的電容容器組，回路路內(nèi)增設(shè)限流流裝置或串聯(lián)聯(lián)電抗器，以以抑制電力諧諧波的產(chǎn)生。(5)對容量在100kVVA及以上整流流裝置和非線線性設(shè)備的用用戶，必須增增設(shè)分流濾波波裝置，就近近吸收電力諧諧波。(6)換流裝置是是供電系統(tǒng)的的主要諧波源源之一，可以以采用增加換換流裝置的相相數(shù)，有效的的消除幅值較較大的低頻項項，從而大大大地降低了諧諧波電流的有有效值。(7)增加中性線線容量：中性線因諧諧波電流的影影響可能產(chǎn)生生超過相線的的電流，如果果通過理論計計算或?qū)崪y的的中性線諧波波電流較大時時，就必須增增大中性線容容量。（8）采用D，yn11接線組別的的變壓器：采用D，yn11接線組別的的配電變壓器器，由于三次次諧波電流可可在D接線高壓繞繞組的閉合回回路流通，所所以相電壓中中沒有三次諧諧波分量，這這樣就抑制了了高次諧波電電流，從而達(dá)達(dá)到使中性線線中諧波電流流減小的目的的。6諧波的日常常管理隨著電力電子裝裝置的廣泛應(yīng)應(yīng)用，諧波對對電力網(wǎng)的污污染日益嚴(yán)重重，供電企業(yè)業(yè)對諧波管理理的意義認(rèn)識識更加深刻。諧諧波管理也是是建設(shè)國家一一流縣供電企企業(yè)的一項重重要指標(biāo)。對對諧波源的管管理和諧波抑抑制工作需進(jìn)進(jìn)一步加強，大大力開展諧波波測量、諧波波源監(jiān)測、諧諧波分析、諧諧波治理等工工作。從管理理上可采取以以下措施：(1)充分認(rèn)識諧諧波對電網(wǎng)的的危害，建立立健全諧波管管理體系，組組織專業(yè)管理理隊伍，對諧諧波進(jìn)行專業(yè)業(yè)管理，開展展諧波專業(yè)分分析與治理。(2)普及諧波管管理知識，加加強標(biāo)準(zhǔn)和相相應(yīng)規(guī)范的宣宣傳貫徹。要要充分認(rèn)識到到，諧波治理理不只是供電電企業(yè)的責(zé)任任，而是電力力企業(yè)和用戶戶的共同責(zé)任任，減少電網(wǎng)網(wǎng)污染，提高高電能質(zhì)量，對對雙方都有較較大的潛在利利益。諧波治治理是一項互互惠互利、節(jié)節(jié)能增效，是是保證電網(wǎng)和和設(shè)備安全穩(wěn)穩(wěn)定運行的舉舉措。《中華華人民共和國國電力法》指指出："用戶用電不不得危害供電電、用電安全全和擾亂供電電、用電秩序序"，《供電營營業(yè)規(guī)則》中中規(guī)定："用戶的非線線性阻抗特性性的用電設(shè)備備接入電網(wǎng)運運行所注入電電網(wǎng)的諧波電電流和引起公公共連接點至至正弦波畸變變超過標(biāo)準(zhǔn)時時，用戶必須須采取措施予予以消除。"(3))主管部門對對所轄電網(wǎng)進(jìn)進(jìn)行系統(tǒng)分析析，正確測量量，以確定諧諧波源位置和和產(chǎn)生的原因因，為諧波治治理準(zhǔn)備充分分的原始材料料；在諧波產(chǎn)產(chǎn)生起伏較大大的地方，可可設(shè)置長期觀觀察點，收集集可靠的數(shù)據(jù)據(jù)。評估電力力用戶的用電電設(shè)備是否產(chǎn)產(chǎn)生了超標(biāo)的的諧波污染。(4)嚴(yán)格業(yè)擴(kuò)報