淺析高次諧波產(chǎn)生原因分析及抑制措施

【摘 要】通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)高次諧波產(chǎn)生的原因及危害的研究分析，著重探討電力系統(tǒng)抑制諧波的措施。

【關(guān)鍵詞】高次諧波；分析；抑制措施

0.前言

隨著高科技的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備也不斷地問(wèn)世和使用，致使產(chǎn)生的高次諧波越來(lái)越多。而電力系統(tǒng)受到諧波影響后，輕則影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。正確認(rèn)識(shí)諧波已成為電力工作者的重要任務(wù)之一。因此，研究和分析諧波產(chǎn)生的原因、危害和抑制諧波的措施具有重要的實(shí)際意義。

1.諧波產(chǎn)生的原因

在供電系統(tǒng)中諧波的發(fā)生主要是由兩大因素造成的：

1.1整流裝置和調(diào)壓裝置的廣泛使用，以及晶閘管在家用電器中的普通采用以及各種非線性負(fù)荷的增加導(dǎo)致波形畸變。

1.2設(shè)計(jì)設(shè)備理念的變化。過(guò)去傾向于采用在額定情況以下工作，現(xiàn)在為了參與競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)電氣設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計(jì)。例如在設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的情況下，而在這種情況內(nèi)運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致激磁材料波形嚴(yán)重畸變。

2.諧波在電力系統(tǒng)中的危害

2.1對(duì)供配電線路的危害

2.1.1影響線路的安全穩(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、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測(cè)保護(hù)，使得在故障情況下保證線路與設(shè)備的安全。由于電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器在諧波影響下有時(shí)導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，不能全面有效地起到保護(hù)作用。晶體管繼電器雖有許多優(yōu)點(diǎn)，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。

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：配電系統(tǒng)中的中性線，由于空調(diào)、電磁爐等負(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)4096；三相配電線路中，相線上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(guò)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。

2.2對(duì)電力設(shè)備的危害

2.2.1對(duì)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(guò)電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。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(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，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。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。

2.2.2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lkHz左右的成分使混雜噪聲增加，有時(shí)還發(fā)出金屬聲。

2.2.3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(guò)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。

2.3對(duì)用電設(shè)備的危害

2.3.1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(guò)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。

2.3.2對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害

由于受諧波電流的影響，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，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)于電磁接觸器來(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。

2.3.3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(guò)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(guò)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)。

2.3.4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。

2.4諧波對(duì)人體的影響

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)。

3.電力系統(tǒng)抑制諧波的措施

為了把諧波對(duì)電力系統(tǒng)的干擾（污染）限制在系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)，我國(guó)和國(guó)際上分別頒布了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》和“IEC標(biāo)準(zhǔn)”，明確了各種諧波源產(chǎn)生諧波的極限值。

3.1加裝串聯(lián)電抗器

電力部門(mén)和用戶(hù)均應(yīng)校核接入電網(wǎng)的電力電容器組是否會(huì)發(fā)生有害的并聯(lián)諧振、串聯(lián)諧振和諧波放大，防止電力設(shè)備因諧波過(guò)電流或過(guò)電壓而損壞。為此，電力部門(mén)和用戶(hù)所安裝的電力電容器組，應(yīng)根據(jù)實(shí)際存在的諧波情況，采取加裝串聯(lián)電抗器等措施。

3.2裝設(shè)由電容、電感及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器

單調(diào)諧濾波器是針對(duì)某個(gè)特定次數(shù)的諧波而設(shè)計(jì)的濾波器，高通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器。應(yīng)裝設(shè)的濾波器類(lèi)型、組數(shù)及其調(diào)諧頻率（濾波次數(shù)），可由具體計(jì)算決定。

3.3增加整流相數(shù)

高次諧波電流與整流相數(shù)密切相關(guān)，即相數(shù)增多，高次諧波的最低次數(shù)變高，則諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改用12相或36相。當(dāng)采用12相整流時(shí)，高次諧波電流只約占全電流的l%，危害性大大降低。當(dāng)2臺(tái)以上整流變壓器由同一段母線供電時(shí)，可將整流變壓器一次側(cè)繞組分別交替接成Y型和△形，這就可使5次、7次諧波相互抵消，而只需考慮l1次、13次諧波的影響。由于頻次高，波幅值小，所以危害性減小。

4.結(jié)論

4.1諧波的發(fā)生會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成危害。

4.2對(duì)于諧波的管理要制定用戶(hù)電壓諧波含量限制標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)措施，嚴(yán)格控制，凈化電力系統(tǒng)環(huán)境。

4.3在日常工作配置中，提高PT與CT的精確度，盡量避免誤差的產(chǎn)生。

4.4加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)發(fā)供電運(yùn)行狀況的監(jiān)視，避免電器設(shè)備受諧波的影響而發(fā)生故障，在電網(wǎng)諧波量較高的地點(diǎn)，要逐步安裝諧波警報(bào)指示器以便進(jìn)一步分析諧波情況，并采取措施，保證電力設(shè)備安全運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]供用電系統(tǒng).中國(guó)電力出版社.

[3]電壓波動(dòng)與閃變.中國(guó)電力出版社.