電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因及治理措施分析

張建軍++陳磊++毛俊杰

摘 要：在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，諧波的產(chǎn)生是不可避免的，諧波的存在會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性帶來較大的影響，所以需要針對(duì)諧波產(chǎn)生的來源及危害進(jìn)行分析，并進(jìn)一步對(duì)諧波的治理進(jìn)行具體的闡述，從而降低諧波給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來的影響，確保電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 諧波 原因 危害 治理

中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）12（b）-0110-01

近年來，社會(huì)在發(fā)展過程中對(duì)電能的需求量不斷增加，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行對(duì)電能穩(wěn)定的供應(yīng)至關(guān)重要。諧波的存在是電力系統(tǒng)在發(fā)電、輸電和用電過程中不可避免的一個(gè)問題，其對(duì)發(fā)電、電能輸送用用電方都會(huì)帶來較大的影響，對(duì)電力系統(tǒng)帶來較大的危害，所以需要對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行有效的抑制，降低其所帶來的危害，確保電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 諧波概念及其產(chǎn)生來源

1.1 諧波概念

諧波屬于正弦波，是頻率為基波的整數(shù)倍，在電網(wǎng)中由于存在有非線性元件和非線性負(fù)載，這就導(dǎo)致電網(wǎng)中會(huì)有與基波頻率成整數(shù)倍或是分?jǐn)?shù)倍的其他正弦波存在，即電網(wǎng)諧波，目前在電力系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波多為高于基波頻率整數(shù)倍的高次諧波，其給電網(wǎng)帶來的影響較大。

1.2 產(chǎn)生來源

電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生是不可避免的，但其諧波產(chǎn)生的來源主要包括三大類，即鐵磁飽和型、電子開關(guān)型和電弧型。在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于變電壓和電抗器等鐵芯設(shè)備，其鐵磁飽和特性會(huì)呈現(xiàn)非線性，所以會(huì)導(dǎo)致諧波產(chǎn)生。

2 電力系統(tǒng)中諧波的危害

2.1 對(duì)供配電線路的危害

2.1.1 影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行

目前在我國電力線路或是電力變壓器運(yùn)行過程中，為了能夠在故障情況下確保線路及設(shè)備的安全，則其繼電器通常選用的都是電磁式繼電式、感應(yīng)式繼電器或是晶體管繼電器，但無論是電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器還是晶體管繼電器自身都有其優(yōu)缺點(diǎn)，特別是在運(yùn)行過程中都極易受到諧波的影響，從而導(dǎo)致誤動(dòng)或是拒動(dòng)的發(fā)生，使供配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性受到較大的威脅。

2.1.2 影響電網(wǎng)的質(zhì)量

民用配電系統(tǒng)中的中性線，其在運(yùn)行過程中，在負(fù)載作用下會(huì)有大量的3次諧波產(chǎn)生；在三相配電線路上，相線上的3的整數(shù)倍諧波會(huì)在中線性進(jìn)行疊加，這樣就可以導(dǎo)致中性線上的電流值可能會(huì)比相線上的電流值高。同時(shí)，當(dāng)諧波電壓和諧波電流處于相同頻率時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致同次諧波的有功功率和無功功率產(chǎn)生，從而導(dǎo)致電網(wǎng)上的電壓降低，導(dǎo)致電網(wǎng)容量的浪費(fèi)。無論哪種情況，都會(huì)給電網(wǎng)的質(zhì)量帶來較大的影響，不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.2 對(duì)電力設(shè)備的危害

2.2.1 對(duì)電力電容器的危害

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)損耗功率的1.38倍；對(duì)于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)的1.43倍，但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會(huì)使電容器過電流和過負(fù)荷，損耗功率超過上述值，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。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。

2.2.2 對(duì)電力變壓器的危害

諧波給電力變壓器帶來的危害是十分大的，其不僅會(huì)導(dǎo)致電力變壓器的銅耗和鐵耗增大，而且還會(huì)導(dǎo)致電力變壓器的噪聲增大。電力變壓器作為電力系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備之一，由于諧波的存在，會(huì)導(dǎo)致電力變壓器電阻損耗、渦流損耗及雜散損耗增加，特別是在諧波作用下，電壓波形會(huì)變差，這給導(dǎo)致變壓器鐵心中的磁滯損耗增加。所以在選擇變壓器，則需要確保所選擇的變壓器容量上要留出電網(wǎng)中的諧波含量。

2.2.3 對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害

當(dāng)有諧波產(chǎn)生時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的附加損耗增加，電動(dòng)機(jī)的功率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)過熱的情況。特別是電動(dòng)機(jī)中負(fù)序諧波的存在，會(huì)導(dǎo)致負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生，由于其轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向相反，所以會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到制動(dòng)作用，使電動(dòng)機(jī)的出力降低。電動(dòng)機(jī)中的諧波電流，當(dāng)其與某零件的固有頻率接近時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲。

2.2.4 對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備的危害

對(duì)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(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；熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(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，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測(cè)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(dòng)作。

3 電力系統(tǒng)諧波治理

3.1 增加整流變壓器二次側(cè)整流的相數(shù)

對(duì)于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動(dòng)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(shè)計(jì)中予以考慮。因?yàn)檎髌魇枪╇娤到y(tǒng)中的主要諧波源之一，通過增加整流的相數(shù)或脈動(dòng)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(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中的投資過大，在技術(shù)上對(duì)消除諧波并不十分有效，該方法多用于大容量的整流裝置負(fù)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(duì)整流器本身進(jìn)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(shè)備設(shè)計(jì)過程中加以注意，從而得到實(shí)踐中的諧波抑制效果。

當(dāng)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(bǔ)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(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）等等，在此就不再詳細(xì)論述。

4 結(jié)語

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)和新設(shè)備都得以在電網(wǎng)中應(yīng)用，先進(jìn)的電能質(zhì)量測(cè)試儀器及先進(jìn)可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建立，不僅可以及時(shí)分析和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，而且還能夠找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量諧波及故障的原因，并采取相應(yīng)的治理措施，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要的保障。

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