電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生危害及諧波治理

1、 /7申報(bào)論文（中級(jí)）題目：電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理單 位：江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司姓 名：吳靜申報(bào)專業(yè)：化工電氣2014 年 7 月 20 日電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理吳靜【摘要】：闡述了電力系統(tǒng)的重要性，詳細(xì)分析了電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，對(duì)各類電器及 系統(tǒng)設(shè)備的危害，諧波的抑制和治理【關(guān)鍵詞】：電力系統(tǒng)；電力諧波；諧波危害；諧波治理引言電力是現(xiàn)代人類社會(huì)生產(chǎn)與生活不可缺少的一種主要能源形式。隨著電力電 子裝置的應(yīng)用丨|益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置帶來(lái)的諧 波問題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來(lái)了 極大影響。因此，電力系

2、統(tǒng)諧波及其治理的研究已經(jīng)嚴(yán)峻地?cái)[在了電力科技工作 者而前，本文對(duì)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理的方法進(jìn)行探討。諧波的產(chǎn)生產(chǎn)生諧波的根本原因在于電力系統(tǒng)中存在大量非線性負(fù)荷。當(dāng)正弦基波電壓（設(shè)電源阻抗為零時(shí)）作用于非線性負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷吸收的電流與施加的電壓波形 不同；同時(shí)，畸變的電流乂會(huì)影響電流回路中的其它設(shè)備。但在實(shí)際系統(tǒng)中，電 源阻抗不為零，畸變電流將在電源阻抗上產(chǎn)生床降，使電源端電壓發(fā)生畸變，從 而對(duì)系統(tǒng)中所有負(fù)荷產(chǎn)生影響。非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流分量的數(shù)值與基波電 圧值和電力系統(tǒng)的阻抗無(wú)關(guān)。因此，大部分諧波源可看成是恒流源。一般，諧波 源可分為以下幾類：1.1電源本身產(chǎn)生諧波由于發(fā)電機(jī)制造匸藝

3、的問題，致使電樞表而的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦 波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍稍偏 離正弦電流。兒個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。1.2非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波諧波產(chǎn)生的另個(gè)原因是由于非線性負(fù)戦。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上 電流與施加電圧呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非止弦 電波，即產(chǎn)生了諧波。主要非線性負(fù)載裝置產(chǎn)生的諧波有：（1）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波：鐵芯中磁通變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生8至15 倍額定電流的涌流，由丁線圈電阻的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個(gè)周 波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流所含的諧波成份以3次諧波為主。

4、（2）單相電容器組開斷時(shí)的瞬態(tài)過電壓干擾：電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用 于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過電床特別敏 感，因此線路中瞬態(tài)過電圧會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過電圧保護(hù)誤跳閘。由于與中斥母 線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會(huì)經(jīng)常發(fā)生。（3）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國(guó)10kV中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，為 了監(jiān)視對(duì)地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。正常運(yùn)行時(shí)，三相對(duì)地電壓 是平衡的，但當(dāng)發(fā)生單相接地等故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)地電壓不平衡，有可能使 電圧互感器線圈電感L和系統(tǒng)對(duì)地電容C在參數(shù)上滿足諧振條件，從而產(chǎn)生諧振 過電壓。（4）整流器和逆變器產(chǎn)生的諧

5、波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)變 成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。從整流器的輸出端看，每相電流 波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看 到除了工頻正弦波外，還栓加了一系列高次波形一諧波。電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行 調(diào)速，除高精度實(shí)現(xiàn)調(diào)速外，還節(jié)省大最電能，但變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧 波，高次諧波的污染，干擾工藝測(cè)量變送器、可編程控制器及智能控制器的正常 工作，諧波還能使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器等產(chǎn)生過熱。（5）電弧爐運(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用 電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，而 在

6、熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬?gòu)碾姌O上落下，電弧熄滅，電源乂開 路，因此，冶煉過程是頻繁的短路、開路、短路的過程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)， 這種諧波以3次諧波為主。供配電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的危害1諧波對(duì)電能損耗的影響諧波增加了輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過高，降低了 設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。在理想的正弦波的情況下，無(wú)功功率Q僅僅反映了電 能在電源與負(fù)載之間交換或傳遞的幅度。但是，在諧波環(huán)境下的無(wú)功功率Q中， 一部分反映了電能在電源與負(fù)載之間交換的幅度，還有一部分則主要做了 “無(wú)用 功”。這是因?yàn)槎鄶?shù)用電設(shè)備都被設(shè)計(jì)成工作在50Hz的正弦波電網(wǎng)中，故它們不 能有效地利用諧波電流，丁

7、是這部分能量就只能通過發(fā)熱、電磁輻射、振動(dòng)和噪 音等途徑耗散掉，成為“無(wú)用功”，并同時(shí)造成各種環(huán)境污染。（1）電力諧波對(duì)輸電線路的影響諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧 振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線路和電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。（2）電力諧波對(duì)變壓器的影響諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧 波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱性負(fù)荷的變壓器而言，會(huì)大大增加勵(lì)磁 電流的諧波分量。（3）電力諧波對(duì)電力電容器的影響含有電力諧波的電圧加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小, 諧波電流盜加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度

8、升高，壽命縮短，引 起電容器過負(fù)荷共至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波 諧振，使故障加劇。2諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響特別對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波很可能引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng) 或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力 系統(tǒng)的安全運(yùn)行。2. 3諧波對(duì)功率因數(shù)的影響（1）諧波對(duì)功率因數(shù)計(jì)算方法的影響。功率因數(shù)是指有功功率和視在功率 比值，在系統(tǒng)存在諧波時(shí)的實(shí)際功率因數(shù)為：PF二P/S,式中，P是有功功率，S 是視在功率。在理想正弦波的情況下，功率因數(shù)COS0 =P1/S1,式中，P1是基 波的有功功率，S1是基波的視在功率。但是，在諧

9、波環(huán)境中，PFVcose, B|J： PF斗二占xgPFgXPFg式中，PFg為位移功率因數(shù)，PF“為畸變功率因數(shù)。（2）諧波對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償方法的影響。傳統(tǒng)的前電電容補(bǔ)償方法只能解決 由于電流相位滯后導(dǎo)致的無(wú)功功率問題，而對(duì)由于諧波等頻率不合所導(dǎo)致的無(wú)功 功率卻無(wú)能為力。因此，在諧波環(huán)境中，計(jì)算靜電補(bǔ)償電容的容量時(shí)，應(yīng)當(dāng)扣除 畸變所致的無(wú)功功率，而且這部分無(wú)功功率必須用配置電抗器、濾波器等治理諧 波的方法解決。2.4諧波導(dǎo)致配電系統(tǒng)地諧振風(fēng)險(xiǎn)增大諧波會(huì)在熱效應(yīng)、耐床等方面給補(bǔ)償電容器帶來(lái)負(fù)面影響，故應(yīng)根據(jù)諧波狀 況來(lái)調(diào)整電容器的耐壓參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是，諧波還會(huì)導(dǎo)致電容器過載、過熱, 故諧波還會(huì)

10、影響電容器的容量選擇。另外，配電系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償電容器和變壓 器電抗在一定條件下可以形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路。前者從電網(wǎng)吸入諧振頻率及 其相近頻率的諧波電流，從而導(dǎo)致電容器過載，同時(shí)在電容器和電感上產(chǎn)生極高 的電床，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿；后者將向電網(wǎng)注入經(jīng)諧振電路放大數(shù)倍的電流, 從而導(dǎo)致電容器、變床器及導(dǎo)線過載，同樣也會(huì)產(chǎn)生極高的諧波電斥，導(dǎo)致相關(guān) 設(shè)備絕緣擊穿。電力系統(tǒng)諧波的抑制1嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理為了減少諧波的不良影響，電業(yè)部門必須把諧波管理納人口常的生產(chǎn)管理中, 建章立制，采取技術(shù)措施，強(qiáng)化諧波監(jiān)督管理。2整流設(shè)備的諧波抑制整流設(shè)備是電網(wǎng)中主要的諧波源之一，通過

11、改造換流裝置，采取特殊的接線 方式或?qū)⑾鄶?shù)較少的換流變壓器聯(lián)結(jié)成等效的多相形式，增加換流器相數(shù)，或利 用相互間有一定移相角的換流變壓器，有效的消除較大的低次諧波。通過加大技 術(shù)改造力度，既可節(jié)省大量資金，乂能夠達(dá)到抑制或降低諧波分量的理想效果。3. 3諧波的隔離非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級(jí)電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器 后，還會(huì)影響到上兒級(jí)電網(wǎng)。如何使這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不彫響或少 影響其他兒級(jí)電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。這一方法在電網(wǎng)中廣泛采 用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過#/、Yo/A YO/Y等接線組別的變床器，把發(fā)電機(jī) 產(chǎn)生的3次、9次等零序分最的諧波與上級(jí)電網(wǎng)隔離開

12、來(lái)，因此在llOkv以上高 壓電網(wǎng)上，3、9次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數(shù)配變?yōu)閅/YO 接線，因此在10kV系統(tǒng)中，3、9次諧波分最會(huì)比高圧電網(wǎng)大。為了減少低床對(duì) 10kV電網(wǎng)的影響，在10kv配電系統(tǒng)中應(yīng)推廣使用D-ynll接線組別的配電變床 器，有效地減少3、9次諧波的影響。3.4裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)大型電弧爐及晶閘管控制的調(diào)功等非線性設(shè)備，由于其負(fù)荷是瞬變型的, 因此宜裝設(shè)能吸收動(dòng)態(tài)諧波電流的靜上無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的 能力。對(duì)于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設(shè)限流裝置 或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。3. 5安裝濾波器目前對(duì)變電

13、所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，大多采用安裝濾波器來(lái)減少諧波 分量。濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩大類。有源濾波器的基本工作原理 是把電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，這是 諧波治理的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技 術(shù)一定會(huì)在諧波治理上占主導(dǎo)地位。無(wú)源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián)，使其 在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電圧很小, 兒乎接近零，這類濾波器往往接在變圧器的二次側(cè)出口處，從而使變壓器的一次 側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá)到對(duì)該次諧波治理的目的。串聯(lián)無(wú)源濾波器多用于 對(duì)5、7、n次諧波治理中，而且往往同時(shí)采用兩組以上濾波器，諧振在5、7次， 同時(shí)起補(bǔ)償電容器組的作用。結(jié)束語(yǔ)隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來(lái)越嚴(yán)重，諧波問 題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，己引起人們的高度重視。諧波的研究 涉及到許多相關(guān)學(xué)科，因此，必須努力加強(qiáng)在應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，采用諧 波治理方面的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進(jìn)程。參考文獻(xiàn)：1許克明.徐云.電力系統(tǒng)鬲次諧波M.幣.慶：砲慶大學(xué)出版社，1旳1. 郝坷.