電力系統(tǒng)中諧波分析與治理

1、電力系統(tǒng)中諧波分析及治理摘要：諧波問題電力系統(tǒng)中普遍存在，首先概述了諧波的概念、 產(chǎn)生來源，分析諧波危害，最后從改造諧波源的角度提出了幾種諧 波抑制方法。關(guān)鍵詞：諧波 ;危害; 治理電力系統(tǒng)的諧波問題早在 20世紀20年代和 30年代就引起了人 們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、 電流波形的畸變。 1945年 j.c.read 發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文 是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。目前，諧波與電磁干擾、功率因 數(shù)降低被列為電力系統(tǒng)的三大公害，因而了解諧波產(chǎn)生的機理，研 究和清除供配電系統(tǒng)中的高次諧波，對改于供電質(zhì)量、確保電力系 統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行都有著十分重要的意義。

2、1、諧波概念及其產(chǎn)生來源1.1 諧波概念 諧波是指頻率為基波頻率整數(shù)倍的一種正弦波。由于電網(wǎng)有非線 性元件和非線性負載的存在，使得電網(wǎng)的電壓或電流的波形不僅僅 是頻率為 50hz 的正弦波(又稱基波) ，還含有與基波頻率 (50hz) 成 整數(shù)倍和分數(shù)倍頻率的其他正弦波。這些正弦波就稱為電網(wǎng)的諧 波。其中頻率高于基波頻率的諧波叫高次諧波。對諧波頻率為基波 頻率的分數(shù)倍時，稱為分數(shù)諧波或間諧波，電力系統(tǒng)中的諧波主要 是高次諧波。1.2 產(chǎn)生來源電力系統(tǒng)的諧波源主要有三大類。（1）鐵磁飽和型 :各種鐵芯設備 , 如變壓器、電抗器等 ,其鐵磁飽 和特性呈現(xiàn)非線性。（2）電子開關(guān)型 : 主要為各種交直

3、流換流裝置 （整流器、逆變器 ） 以及雙向晶閘管可控開關(guān)設備等 , 在化工、冶金、礦山、電氣鐵道 等大量工礦企業(yè)以及家用電器中廣泛使用 , 并正在蓬勃發(fā)展 ; 在系 統(tǒng)內(nèi)部, 如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。（3）電弧型: 各種冶煉電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊 接期間, 其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性 , 使電流不規(guī) 則的波動。其非線性呈現(xiàn)電弧電壓與電弧電流之間不規(guī)則的、隨機 變化的伏安特性。2、電力系統(tǒng)中諧波的危害2.1 對供配電線路的危害2.1.1 影響線路的穩(wěn)定運行供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、 感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障

4、情況下保 證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對 10% 以下含量高達 40%時又導致繼電保護誤動作，因而在諧波影響下不 能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點，但 由于采用了整流取樣電路，容易受諧波影響，產(chǎn)生誤動或拒動。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。2.1.2 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、計算機等負載，會產(chǎn) 生大量的奇次諧波，其中 3 次諧波的含量較多，可達 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疊加，使中性線 的電流值可能超過相線

5、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功功率，從而降低電網(wǎng)電 壓，浪費電網(wǎng)的容量。2.2 對電力設備的危害2.2.1 對電力電容器的危害 當電網(wǎng)存在諧波時，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。對于膜紙復合介質(zhì)電容 器，雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的 1.38 倍 ; 對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的 1.43 倍， 但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流 和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫 度的作用下絕緣介質(zhì)會加速老化。尤其是電容器投入在電壓

6、已經(jīng)畸 變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(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，局部放電強度大，對絕緣介質(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 來說，電壓每升高 10%，電容器的壽命就要縮短 1/2 左右。再者， 在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。2.2.2 對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、導體中的渦流損 耗與導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

7、大。 同時由于以上兩方面的損耗增加， 因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量 時需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外，諧波還導致變壓器 噪聲增大，變壓器的振動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，振動頻率在 1khz 左右的成分使混雜噪聲增 加，有時還發(fā)出金屬聲。2.2.3 對電動機的危害 諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低 效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產(chǎn)生負序 旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動作用，從而 減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件 的固有頻率時還會使電動機產(chǎn)生

8、機械振動，發(fā)出很大的噪聲。2.2.4 對低壓開關(guān)設備的危害 對于配電用斷路器來說，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，同時由于對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，由于導體的集膚 次應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)生誤動作。3、電力系統(tǒng)諧波治理限于篇幅問題，本文在此只介紹基于改造諧波源本身的諧波抑制 方法，基于改造諧波源本身的諧波抑制方法一般有以下兩種。3.1 增加整流變壓器二次

9、側(cè)整流的相數(shù)對于帶有整流元件的設備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可以 較好地消除低次特征諧波，該措施可減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量， 一般在工程設計中予以考慮。因為整流器是供電系統(tǒng)中的主要諧波 源之一，其在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波為 tk ±1 次諧波，即整流裝 置從 6 脈動諧波次數(shù)為 n=6k±1，如果增加到 12脈動時，其諧波次 數(shù)為 n=12k±1（其中 k為正整數(shù) ） ，這樣就可以消除 5、7等次諧波， 因此增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可有效地抑制低次諧波。不過，這 種方法雖然在理論上可以實現(xiàn)，但是在實際應用中的投資過大，在 技術(shù)上對消除諧波并不十分有效，該方法多

10、用于大容量的整流裝置 負載。 3.2 盡量選用高功率因數(shù)的整流器采用整流器的多重化來減少諧波是一種傳統(tǒng)方法，用該方法構(gòu)成的整流器還不足以稱之為高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)整流器是一種通過對整流器本身進行改造，使其盡量不產(chǎn)生諧波，其電流和 電壓同相位的組合裝置，這種整流器可以被稱為單位功率因數(shù)變流 器(upfc) 。該方法只能在設備設計過程中加以注意，從而得到實踐 中的諧波抑制效果。當然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基于諧波 補償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源 濾波器、裝設靜止無功補償裝置 (svc) 等等，在此就不再詳細論述。4、總 結(jié)隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量問 題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應用先進的電能質(zhì)量測試 儀器不僅能大大提高電能質(zhì)量的監(jiān)測與治理水平，同時還可建立先 進可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡，及時分析和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水 平，找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量諧波及故障的原因， 采取相應的措施， 為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運