電力系統(tǒng)諧波的危害及治理

電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因、危害與治理劉曉峰(中國(guó)石油哈爾濱石化公司，黑龍江省哈爾濱市 150056)摘要：電網(wǎng)中諧波問題日益嚴(yán)重，文章對(duì)此綜述了諧波危害及抑制諧波的方法。關(guān)鍵詞：電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)諧波的定義供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測(cè)量、危害及抑制，其頻率范圍一般為 2WnW40。諧波的產(chǎn)生電網(wǎng)諧波是怎么產(chǎn)生的?其主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面：發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的0.5%。用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波晶閘管整流設(shè)備由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性

負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。變頻裝置變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。電弧爐、電石爐由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是27次的諧波，平均可達(dá)基波的8%~20%，最大可達(dá)45%。氣體放電類電光源熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。 分析與測(cè)量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。家用電器電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來(lái)源之一。諧波的危害電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染，正弦電壓波形畸變，使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設(shè)備出現(xiàn)許多異常概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面：感應(yīng)式繼電器或晶體管但由于電磁式繼電器與感現(xiàn)象和故障，情況日趨嚴(yán)重。電力系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的，概括起來(lái)有以下幾個(gè)方面：感應(yīng)式繼電器或晶體管但由于電磁式繼電器與感對(duì)供配電線路的危害影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、繼電器予以檢測(cè)保護(hù)，使得在故障情況下保證線路與設(shè)備的安全。應(yīng)式繼電器對(duì)10%以下含量高達(dá)40%時(shí)又導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護(hù)作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點(diǎn)，但由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。這樣，諧波將嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。影響電網(wǎng)的質(zhì)量電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，可達(dá)40%；三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會(huì)疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。對(duì)電力設(shè)備的危害對(duì)電力電容器的危害當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對(duì)于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)的 1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會(huì)使電容器過電流和過負(fù)荷,損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強(qiáng)度大，對(duì)絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴(yán)重的情況下，還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。對(duì)電力變壓器的危害諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時(shí)由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實(shí)際使用容量，或者說(shuō)在選擇變壓器額定容量時(shí)需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，變壓器的振動(dòng)噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數(shù)的增加，振動(dòng)頻率在 1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時(shí)還發(fā)出金屬聲。對(duì)電力電纜的危害由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。對(duì)用電設(shè)備的危害對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響，主要是增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過熱。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。另外電動(dòng)機(jī)中的諧波電流，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備的危害對(duì)于配電用斷路器來(lái)說(shuō)，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測(cè)峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生誤動(dòng)作。對(duì)于漏電斷路器來(lái)說(shuō)，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。對(duì)于電磁接角器來(lái)說(shuō)，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線圈溫度升高使額定電流降低。對(duì)于熱繼電器來(lái)說(shuō)，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動(dòng)作。 （5）對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾：對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報(bào)警與樓宇自動(dòng)化等弱電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性目前采用的電力測(cè)量?jī)x表中有磁電型和感應(yīng)型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應(yīng)型），當(dāng)諧波較大時(shí)將產(chǎn)生計(jì)量混亂，測(cè)量不準(zhǔn)確。諧波對(duì)人體有影響從人體生理學(xué)來(lái)說(shuō)，人體細(xì)胞在受到刺激興奮時(shí)，會(huì)在細(xì)胞膜靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生快速電波動(dòng)或可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會(huì)直接影響人的腦磁場(chǎng)與心磁場(chǎng)。諧波的治理理論上，電網(wǎng)提供給用電設(shè)備的電能質(zhì)量越高越好，最好是純凈的正弦波，因此，對(duì)電網(wǎng)中的諧波應(yīng)全部消滅。但是，以現(xiàn)在的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)條件要將產(chǎn)生的高次諧波全部消

滅是困難的。為此，國(guó)際國(guó)內(nèi)對(duì)電網(wǎng)諧波作出了明確限值：表1GB/T14549—1993對(duì)供用電網(wǎng)諧波電壓相電壓限值的明確規(guī)定電網(wǎng)標(biāo)稱電壓（KV）電壓總諧波畸變率（%各次諧波電壓含有率（%奇次偶次0.385.04.02.06、104.03.21.635、663.02.41.21102.02.00.8表2一些國(guó)家電力系統(tǒng)的諧波電壓限值國(guó)家名稱標(biāo)準(zhǔn)或文件電網(wǎng)電壓（KV）諧波次數(shù)諧波電壓率電壓總諧波畸變率英國(guó)ERG5/319760.415奇次3~19偶次2~184256.6、11奇次3~19偶次2~18433、66奇次3~19偶次2~183132奇次3~19偶次2~181.5美國(guó)IEEEstd51919892.4~693569~1381.52.5138以上1.01.5日本電氣協(xié)同研究會(huì)19876.63~39（奇次）1~4522?773~39（奇次）0.5~2.53德國(guó)VDEW1987低壓奇次（非3倍數(shù)）0.24~5.00.20~4.00.20~1.5當(dāng)前必須把高次諧波發(fā)生側(cè)和受到高次諧波干擾的裝置側(cè)協(xié)調(diào)起來(lái)，作為系統(tǒng)的整體實(shí)施在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上是最有效的對(duì)策。高次諧波的防止對(duì)策消除或抑制諧波的對(duì)策可以兩方面考慮：一是從非線性負(fù)載本身入手，使它們盡可能減少諧波電流的注入量；二是設(shè)法改變系統(tǒng)中諧波電流的流向，以消除和防止諧波的影響。通常的做法有：在非線性負(fù)載回路增設(shè)諧波濾波器主要適用于可控硅整流裝置、中頻電源裝置及各種電子逆變器等。濾波器可以對(duì)某些諧波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收作用，以減少諧波電流有含量。采用單調(diào)諧濾波器可以對(duì)5—13次諧波進(jìn)行濾波，對(duì)17次以上的諧波則應(yīng)采用高通濾波器結(jié)線。對(duì)非線性負(fù)載的供、配電回路要分開獨(dú)立設(shè)置供電電變壓器必須使用Y/△接線方式，即一次側(cè)為 Y接，二次側(cè)為角接。其它用電設(shè)備不宜與非線性負(fù)載共用一臺(tái)供電變壓器，如從經(jīng)濟(jì)角度考慮，需用一臺(tái)變壓器供電時(shí)須對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流成份予以防治，以確保其它用電設(shè)備的可靠、安全使用。對(duì)變壓器的保護(hù)方法保護(hù)變壓器的一個(gè)途徑是把變壓器上的負(fù)載量限制在其額定值的某個(gè)百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國(guó)計(jì)算機(jī)和商業(yè)設(shè)備同業(yè)協(xié)會(huì)提供的方法。采用這種方法降低額定容量，必須測(cè)量變壓器二次側(cè)各相的有效值和瞬時(shí)尖峰值。這種方法比繁瑣，也不特別試用。在負(fù)載處安裝諧波濾波器，不但能消除該變壓器的諧波電流，而且可以防止高次諧波串至連接在這個(gè)電力系統(tǒng)上的其它易受影響的用電設(shè)備。也可以采用更強(qiáng)的冷卻方式，以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。保護(hù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方法感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)供電線路電壓諧波畸變率特別敏感。一般經(jīng)驗(yàn)證明，電動(dòng)機(jī)供電電壓的總諧波的畸變率不應(yīng)超過5%。為此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)接在一條獨(dú)立饋線上，其端電壓的畸變就會(huì)減少。此外，應(yīng)該采取減少給非線性負(fù)載供電的線路的阻抗的措施，即增大導(dǎo)線截面積，或在非線性負(fù)載處增加諧波濾波器。變頻器諧波抑制增加設(shè)備，對(duì)諧波進(jìn)行抑制采用適當(dāng)?shù)碾娍蛊?。變頻器的輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部的 AC/DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)功率因數(shù)矯正 DC電抗器，電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器的方法，使進(jìn)線電流的 THDV大約降低30%~50%，是不加電抗器諧波電流的一半左右。裝設(shè)有源電力濾波器。可采用多相整流采用多相脈沖整流。在條件允許或是要求諧波限制在比較小的情況下，的方法。12相脈沖整流的THDV大約為10%~15%18相的為3%~8%完全滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求。其缺點(diǎn)是需要專用變壓器，不利于設(shè)備的改造，成本費(fèi)用較高?？刹捎枚嘞嗾魇褂脼V波模塊組件。目前市場(chǎng)上有很多專門用于抗傳導(dǎo)干擾的濾波模塊或組件，這些濾波模塊具有較強(qiáng)的抗干擾能力，同時(shí)還具有防用電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源，有些還兼有吸收尖峰電壓的功能，對(duì)各類用電設(shè)備大有益處。開發(fā)新型的變頻器現(xiàn)在許多廠家提出生產(chǎn)名為“綠色變頻器”該變頻器品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)：輸出和輸入都為正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載都能使功率因數(shù)為1，可獲工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器能有效抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波影響。其余抑制高次諧波的技術(shù)開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。采用電源濾波器，電源濾波器可以阻止電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入開關(guān)電源，也可以阻止開關(guān)電源的干擾進(jìn)入電網(wǎng)；屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾；減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時(shí)，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢(shì)阻止反向電流上升。變壓器空載合閘涌流抑止方法根據(jù)方程①1=一①mcos(wt+a)=Qmsin 如果合閘時(shí)，a=90(即Ul=U1m便合閘) ，則：①1=一①mcos(wt+a)=Qmsinwt沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。抑制電壓互感器鐵磁諧振方法其方法是要使它脫離諧振區(qū)，采用中性點(diǎn)不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波425.1在變頻器前加裝電源濾波器。 一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只6801/10,效果較明顯；變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地,屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。抑止電弧爐運(yùn)行時(shí)的干擾在合適地段加入電容補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償無(wú)功波動(dòng)；可以重新安排供電系統(tǒng)。諧波問題在沒有得到很好的解決之前,只能會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。隨著我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高,對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量的要求也會(huì)越來(lái)越高。在不久的將來(lái),諧波污染,侵害電力系統(tǒng)情況會(huì)逐步得到根治。諧波研究的意義諧波研究的意義,首先是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重。各種諧波源產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)造成巨大的污染,影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境、包括系統(tǒng)本身的廣大用戶,而且其污染影響的范圍很廣、距離很遠(yuǎn),可能遠(yuǎn)比一個(gè)工廠對(duì)大氣環(huán)境的污染范圍還要大、距離還要遠(yuǎn)。諧波研究的意義,還在于其對(duì)電力電子技