電力諧波的危害與抑制

郭立泉

（湖南省水府廟水電站 湘潭市 411424）

在理想的情況下，電力系統(tǒng)中三相交流發(fā)電機發(fā)出的電壓，其波形基本是正弦波形。隨著各種產(chǎn)生諧波電流的電力電子設(shè)備、家用電器、非線性及沖擊性用電設(shè)備的不斷增加，構(gòu)成了電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的主要污染，對電力系統(tǒng)的用電設(shè)備造成不良影響，甚至造成嚴(yán)重危害。

1 諧波的產(chǎn)生

電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生主要來自于三個方面：一是發(fā)電機電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。

（1）發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電機電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

（2）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)計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，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，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。

（3）在用電設(shè)備中，下面一些設(shè)備都能產(chǎn)生諧波。

a、晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面廣泛應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。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，而給電網(wǎng)留下的是另一部分缺角的正弦波，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，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時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。

b、變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機、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，還含有分數(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，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。

c、電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷不平衡，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2～7次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。

d、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，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

e、家用電器。電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、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，也是諧波的主要來源之一。

2 諧波的危害

2.1 對配電線路的危害

（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(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護，使得在故障情況下難以保證線路與設(shè)備的安全。但由于電磁式繼電器與感應(yīng)式繼電器對10%以下含量高達40%時又導(dǎo)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(yán)重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

（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(shè)備的危害

（1）對電力電容器的危害。當(dāng)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(fù)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)更能產(chǎn)生加速老化的作用，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(yán)重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

（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(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)在鐵芯中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。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(dǎo)致變壓器噪聲增大。隨著諧波次數(shù)的增加，振動頻率在1 kHz左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發(fā)出金屬聲。

（3）對電力電纜的危害。由于諧波次數(shù)高頻率上升，加之電纜導(dǎo)體截面積越大積膚效應(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。

（4）對電動機等用電設(shè)備的危害。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(yán)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(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產(chǎn)生機械振動，發(fā)出很大的噪聲。

（5）對低壓開關(guān)設(shè)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(dǎo)體的積膚效應(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，諧波也會使其額定電流降低，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)生損害。

對于漏電斷路器來說，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)誤動作或不動作。對于電磁接觸器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也會使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。

（6）對弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾。對于計算機網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設(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)。

（7）影響電力測量的準(zhǔn)確性。目前采用的電力測量儀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)諧波較大時將產(chǎn)生計量混亂，測量不準(zhǔn)確。

（8）諧波對人體有影響。從人體生理學(xué)來說，人體細胞在受到刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生快速電波動或可逆翻轉(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直接影響人的腦磁場與心磁場。

3 諧波的抑制

解決諧波問題的方法有很多，這里單就如何減少供電系統(tǒng)的諧波問題，從管理和技術(shù)上可采取的抑制措施進行說明：

（1）嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，加強管理。GB 17625.1《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流16A）》，要求購置的用電設(shè)備，經(jīng)過試驗證實，符合該標(biāo)準(zhǔn)限值才允許接入到配電系統(tǒng)中。1993年頒發(fā)GB/T 14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定的注入公共連接點的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。

（2）三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波。

（3）裝設(shè)靜止無功補償裝置，對大型電弧爐及晶閘管控制的軋鋼機等非線性設(shè)備，由于其負荷是沖擊性的，而且是隨機的，因此宜裝設(shè)能吸收動態(tài)諧波電流的靜止無功補償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

（4）對于大容量的電力設(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。

（5）對容量在100 kVA及以上整流裝置和非線性設(shè)備的用戶，必須增設(shè)分流濾波裝置，就近吸收電力諧波。

（6）增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。

（7）選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡。

（8）換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一，可以采用增加換流裝置的相數(shù)，有效地消除幅值較大的低頻項，從而大大降低諧波電流的有效值。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有功率處理與控制的特點，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，由于大量電力電子裝置的投入，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問題，對諧波的綜合治理已迫在眉睫。電力污染與系統(tǒng)關(guān)系密切，實質(zhì)上是電能質(zhì)量問題，涉及面廣，具有獨特的復(fù)雜性，難于認識與治理。電力污染也隨著技術(shù)的發(fā)展可以得到有效的控制，并最終與電網(wǎng)運行控制結(jié)合起來。電力污染的理論發(fā)展與實踐，逐步形成自己的理論體系與工程實踐，并因此而形成一門新的邊緣分支學(xué)科——電力環(huán)境工程學(xué)。

諧波問題的研究涉及到許多相關(guān)學(xué)科，因此，必須努力加強在應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，跟蹤并趕超世界發(fā)達國家在諧波治理方面的先進技術(shù)，推動我國電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進程。

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