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电力系统中谐波分析和治理技术

何丹红
摘 要 ：谐波是电力系统的一大公害，文章介绍了谐波的相关定义、谐波的产生以及谐波所带来的危害，并对抑制谐波的措施进行了相关的阐述。
关键词 ：电能质量 ；谐波 ；抑制
0 前言
随着电力电子设备的应用越来越广泛，各种非线性、冲击性、波动性和不对称负载大量增加，造成诸如电压波动、电压跌落、谐波等电能质量污染日趋严重。电能质量的下降造成了巨大的经济损失，也使得用户侧的敏感性用电设备不能正常工作。现今，用户对供电可靠性提出更高的要求，对供电质量的敏感程度越来越高，因此对配电网络和电力供应商也不断提出新的要求。本文着重介绍了电能质量范畴内的谐波及其治理技术。
1 电能质量的基本分类
电能质量分为稳态电能质量和动态电能质量问题。稳态电能质量以谐波畸变为主要特征，一般持续时间较长，主要类型是过电压和欠电压，持续时间长(一般超过1min)，电压大小超过或低于标称电压大小。一般用傅里叶级数分析谐波与间歇波。动态电能质量是以暂态持续时间为主要特征，主要有脉冲暂态和振荡暂态两种类型。主要类型是：电压跌落和电压上升，持续时间较短(一般10ms～1min)，电压有效值跌落至标称电压的10%～90%或升至标称电
压的110%～180%。电压波动与闪变：电压幅值在一定范围内(通常为额定值的90%～110%或110%～180%)规律或随机地变化，即为电压波动；短时断电，持续时间在10ms～3s的供电，即为闪变。
2 谐波及谐波源
2.1 谐波
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量成为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。电网中也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害以及抑制，其谐波次数范围一般为：2≤n≤40。
2.2 谐波源
谐波通常是由非线性供电、用电设备所产生的，电力系统本身包含的非线性元件主要是变压
器、换流站可控硅元件、电容器、电抗器等；但主要来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。最常见的谐波源如下所述。
2.2.1 变压器产生的谐波
变压器的非线性是因为铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的。变压器的铁芯磁化曲线除了一般线性区以外，还有饱和区、死区和滞后区三类典型的非线性区，它以原点对称，在正弦波的作用下，励磁电流为对称奇函数。对三相对称的变压器，其3次的奇数倍谐波均为零序，会受到变压器接线方式的影响，故可以认为变压器是一种只产生奇次谐波的电流源型的谐波源。变压器的谐波次数还受其一、二次侧接线方式(△或Y)的影响，大小则与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性工作区越远，产
生的谐波电流就越大。
2.2.2 变流器设备产生的谐波
由于生产与科技的发展，企业经常大量使用整流和变频等交流设备，目前的电气设备都采用开关型电源，其电源侧是大功率整流电路，输出侧为了使负载得到更好的控制与运行特性，则使用了变压与变频电路。此类设备产生的谐波既有电流源型的，也有电压源型的。因此，其谐波分量也仅有奇次谐波，有资料显示，此类设备产生的谐波分量有时可高达基波分量的30%。由于变流设备功率大(30～20000kW)、数量多，因此其对企业供配电系统的影响也就极大。
2.2.3 计算机及其他办公设备产生的谐波
随着社会的发展、科技的进步，工厂自动化程度越来越高，计算机及其他现代化办公设备得以广泛应用，而这些设备的电源基本上都是开关电源，因此都会产生谐波并且对电网的谐波干扰十分严重。
3 谐波的危害
目前，产生谐波的装置量大面广，谐波使许多企业的生产面临严重的干扰与破坏，谐波对企业供配电的危害主要表现在以下几个方面：
(1)电力变压器、电力线路
电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，绝缘能力受到影响并造成容量裕度减小。谐波还可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁芯磁通饱和或歪斜，进而产生噪声。因此谐波的泛滥将会严重地威胁工矿企业的供配电系统安全、可靠、稳定的运行。
(2)电动机
输出谐波对电动机的影响主要是引起附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降额使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动及噪声增加。
(3)电力电容器
一般电容器的标准规范规定其最大电流只允许35%的过载，但实际运转时，由于谐波的影响，常发生严重过载。由于电容器的阻抗随频率的增加而减少，当谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，从而导致电容器过热，增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声。
(4)开关设备
由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高的电流变化率(di/dt)，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。
(5)保护电器
电流中含有谐波，必然会产生额外的转矩，改变电气的动作特性，从而引起误动作。
(6)计量仪表
对于电能表等计量仪表，因谐波原因会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起测量误差，使表计的精确度降低。
(7)电力电子设备
在很多场合，电子设备等同于产生谐波的电流源，并且很容易感受谐波失真而误动作。其他诸如照明设备、通信设备、电视以及音响、电脑设备、载频遥控设备等都容易受到谐波的干扰，使其正常工作受到影响，因而减少其使用寿命。
4 抑制谐波干扰的措施
为了控制谐波的泛滥，净化供配电系统波形，提高供配电系统电能质量及效率，国家发布了GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》国家标准。其主要目的是把公用电网的谐波量控制在允许范围内，以保证电能质量，防止谐波对电网和用户的电气设备、各种用电器具造成危害，保持其安全经济运行，并获得良好的社会效益。消除电网中的谐波，对延长电力设备的使用寿命和保证负载的安全经济运行，有着非常重要的意义。消除谐波的几种主要方式如下所述。
4.1 变流装置整流相数或脉动数的增加
当变流装置的脉动数增多时，变流装置产生的谐波次数增高，而谐波电流近似地与谐波次数成反比，因此一些次数较低、成分较大的低次谐波能够得以消除，从而减少谐波源产生的谐波电流。通过改造变流装置的结构或者利用相互间有一定移相角的换流变，可有效减小谐波量。这种装置的缺点是结构复杂，造价增加。
4.2 加装交流滤波器
一般采用的调谐滤波器通常由电力电容器、电抗器和电子器件适当组合而成，起到既可补偿谐波，又可补偿无功功率的作用，提高电压水平，且结构简单、补偿容量大，被广泛应用。其主要缺点是装置受到电网阻抗和运行特点的影响，易与电网发生串联谐振，导致谐波放大，使滤波器过载乃至烧毁。因此，实际工程中多采用一组或多组单调谐滤波器组合方式，每组滤波器谐振于需要滤除的谐波频率或该频率附近，当需消除更高频率的谐波或其幅值较小时，可以再加装一组高通滤波器。
4.3 加装有源滤波器
有源电力滤波器(Active Power Filter)采用实时检测的闭环运行方式，动态地抑制谐波并能补
偿大小和频率都变化的谐波。有源电力滤波器通过监测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算出补偿电流，该信号经补偿电流发生电路放大得出补偿电流，补偿电流因与要补偿的谐波电流大小相等、方向相反而抵消，使电网的电压、电流恢复为正弦波。其对频率和幅值变化的谐波进行补偿，不易受到电网阻抗的影响，还可以发出基波补偿功率，减少负载的无功功率，提高功率因数。有源电力滤波器根据电路的组成形式和接入电网的方式不同，分为电压源型和电流源型，串联型和并联型，可根据供配电系统的实际情况选用适用的型
式。由于有源电力滤波器造价较高，一般用于低压小容量的谐波源补偿。
4.4 对化工企业中应用的变频器产生的谐波应对措施
4.4.1 增加变频器供电电源内阻抗
通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，内阻抗越大，谐波含量越小，这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。因此选择变频器供电电源时，最好选择短路阻抗大的变压器。
4.4.2 串入输入电抗器
在变频器的输入电流中，频率较低的谐波分量(5，7，11，13次谐波等)所占的比重是很高
的，它们除了可能干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率，使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入交流/直流电抗器后，进线电流的THDi(电流总畸变率)大约降低30%～50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。
4.4.3 安装输出电抗器
在变频器到电动机之间增加交流电抗器，主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中线路所产生的电磁辐射。电抗器应安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。
4.4.4 在系统线路中设置滤波器
滤波器的作用是为了抑制干扰信号从变频器通过电源线传导干扰到电源及电动机。为减少电磁噪声和损耗，在变频器输出侧可设置输出滤波器，为了减少对电源干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器。
4.4.5 采用多相脉冲整流和变压器多相运行
在条件允许或是要求谐波限制比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDi大约为10%～15%，18相脉冲整流的THDi约为3%～8%。通用变频器为六脉波整流器，因此产生的谐波较大。如果采用变压器多相运行，使相位角互差30°，如Y-△、△-△组合的变压器构成12脉波的效果，可减小低次谐波电流，很好地抑制谐波。
5 结语
电网中存在的谐波恶化了电网电能质量指标，降低了电网运行的可靠性，危害了电气设备的正常运行，还增加了额外的电能损失，降低了电气设备的使用寿命。在实际运用中应采用技术措施和管理措施并重的方式，加强电网电能质量管理，采取优化的技术措施对谐波进行综合性防范与治理，为社会生产的可持续发展提供可靠的电力保障。
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