電網(wǎng)中諧波產(chǎn)生的原因、危害及治理措施

黃賢麗　張金剛

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力用戶中大量非線性電力設(shè)備的應(yīng)用，諧波問題越發(fā)引起人們的廣泛關(guān)注。在電網(wǎng)誕生之初，諧波就存在，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)和變壓器本身就能夠產(chǎn)生諧波，但由于量小，并不會產(chǎn)生危害。然而，隨著用電設(shè)備種類的增多，以及具有諧波放大效應(yīng)的并聯(lián)電容器的廣泛應(yīng)用，諧波的危害變得越來越嚴(yán)重。大量諧波的存在會污染電網(wǎng)、影響電網(wǎng)中的設(shè)備和負(fù)荷，因此問題不容忽視。了解諧波產(chǎn)出的原因及危害，有助于我們更好地制定治理措施。文章對諧波產(chǎn)生的原因及危害進(jìn)行了分析，并出了若干治理措。

關(guān)鍵詞：基波 諧波源 諧波治理

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（c）-0255-01

1 諧波源

如果電網(wǎng)中的電壓或電流波形是不理想的正弦波，表明其中有頻率高于50Hz的電壓或電流成分，該成分即為諧波。隨著非線性電力電子器件組成的電氣傳動自動化裝置的廣泛應(yīng)用和容量的不斷增加，諧波污染給公用電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的帶來的影響日益顯著。所以必須考慮諧波產(chǎn)生的原因和它帶來的危害，以及如何將危害減少到最小。

凡是能向電網(wǎng)注入諧波電流或諧波電壓的電氣設(shè)備統(tǒng)稱為諧波源。例如：換流設(shè)備、電弧爐、鐵芯設(shè)備、照明設(shè)備、某些生活日用電器等非線性電氣設(shè)備。

整流器、逆變器和變頻裝置等這一類電氣設(shè)備，這些設(shè)備的用途就是強(qiáng)行切斷或連通電流，因此通常要用整流元件的導(dǎo)通、截止特性，而正是這一過程會導(dǎo)致了大量諧波電流的產(chǎn)生。

工業(yè)上鋼鐵企業(yè)中所用的電弧爐也是一個(gè)很大的諧波源。電弧爐的熔化過程中，會發(fā)生填料不完全融化并結(jié)焦成塊狀固體的現(xiàn)象，這會導(dǎo)致電弧阻抗不穩(wěn)定。當(dāng)電極插入熔化金屬時(shí)，電極間會產(chǎn)生金屬性短路，此時(shí)，短路電流的限制通常要依靠電爐變壓器的阻抗和所串連的電抗器來完成。如果電弧的負(fù)阻抗特性（電弧的阻抗隨電流的增大而急劇減?。┖腿刍谌嚯姌O出現(xiàn)反復(fù)不規(guī)則短路以及斷弧現(xiàn)象，那么此時(shí)電弧爐就會產(chǎn)生諧波電流。

各行各業(yè)中常用的各種變壓器及鐵芯電抗器的主要構(gòu)成元件是鐵芯設(shè)備。而這種設(shè)備通常有很強(qiáng)的非線性的磁化特性，再加上變壓器的額定磁通密度B值一般都設(shè)計(jì)在其磁滯回線（B-H曲線）的拐點(diǎn)周圍，這很容易導(dǎo)致變壓器的勵(lì)磁電流為變成非正弦波形，大量的諧波電流（奇次諧波）隨之出現(xiàn)。

大部分工業(yè)和一部分日常生活中的照明設(shè)備。如高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、熒光燈等。它們的發(fā)光原理是應(yīng)用氣體放電。由于其伏安特性具有明顯的非線性特征，因而在發(fā)光過程中會產(chǎn)生一部分諧波電流。

在日常生活中常用的一些家用電器。如電磁爐、電冰箱、計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、微波爐、電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，在使用過程中也會對電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波。

2 諧波造成的危害大致列舉如下

（1）使電網(wǎng)電壓波形畸變，供電質(zhì)量下降。供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量包括電壓質(zhì)量、波形質(zhì)量、頻率質(zhì)量。

（2）增肌交流發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、線路等設(shè)備的損耗，變壓器、電動機(jī)、線路等損耗，導(dǎo)致其因局部發(fā)熱或絕緣老化等原因使用時(shí)間縮短。

（3）諧波電流引起無功功率增加，降低功率因素。

（4）造成電容器絕緣損壞。

（5）高次諧波含量高的電流能削弱斷路器的開斷能力。嚴(yán)重情況下，某些斷路器磁吹線圈會喪失工作能力。

（6）導(dǎo)致電子計(jì)算機(jī)失去控制、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元件無法測試。

（7）導(dǎo)致使繼電保護(hù)動作失靈，如拒絕動作或動作有誤等。

（8）降低感應(yīng)型電度表計(jì)量的準(zhǔn)確性。

（9）使通信線路、信息線路產(chǎn)生噪聲，甚至造成故障。

（10）由諧波造成的大容量高壓變壓器的涌流過程能延續(xù)數(shù)秒，甚至更久，很可能會導(dǎo)致諧波過電壓。

3 諧波治理的技術(shù)措施

既然諧波產(chǎn)生的危害如此之大，那么對于諧波的治理和改善應(yīng)該被各行各業(yè)益加重視起來。對于諧波治理的技術(shù)措施主要有以下幾個(gè)方面。

（1）采用短路容量較大的電網(wǎng)來對各類大功率非線性用電設(shè)備變壓器進(jìn)行供電。因?yàn)殡娋W(wǎng)短路容量大，則承受非線性負(fù)荷的能力高。

（2）對大功率靜止整流器，要想降低一次諧波含量，提高整流脈沖數(shù)是個(gè)行之有效的辦法，因?yàn)檎髅}沖數(shù)越高，次數(shù)低的諧波就會被削去。如何才能提高整流脈沖數(shù)呢？主要有兩種方法：其一，調(diào)整整流變壓器二次側(cè)的相角差，可以通過增加整流裝置數(shù)量和按照諧波次數(shù)裝設(shè)分流濾波器的方式完成；其二，更改整理變壓器二次側(cè)的接線方式。

（3）選用D，yn11接線組別的三相配電變壓器。與Y，yn0以接線方式相比，以D，yn11接線的同容量的變壓器的空載損耗與負(fù)載要略大些，但三次及其整數(shù)倍以上的高次諧波激磁電流在原邊結(jié)成三角形條件下，可在原邊環(huán)流，與原邊結(jié)成Y型的情況下相比，能夠更好地抑制高次諧波電流。另外這種接線方式比Y，yn0接線方式具有小得多的零序阻抗，對解除單相接地故障十分有利。

（4）采用無源濾波方法。無源濾波是一種用電阻器、電容器和電抗器這些無源元件組成的濾波器來抑制進(jìn)入公用電網(wǎng)的諧波電流的方法。其基本原理是使特定頻率的諧波電流流入濾波器中，從而大大降低流入公用電網(wǎng)的諧波電流量，從而達(dá)到濾波的效果。這種方法主要利用了電容器與電抗器的阻抗與頻率有關(guān)的特性，重點(diǎn)在于選擇濾波器的拓?fù)湫问胶碗娙萜?、電抗器的參?shù)，以便于濾波器對于某特定頻率的諧波電流呈低阻抗。

4 結(jié)語

諧波治理對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義，它能改善電壓質(zhì)量，提高功率因數(shù)，減少設(shè)備損耗，延長用戶設(shè)備使用壽命。對于工業(yè)用戶來說不僅可以減少設(shè)備損耗，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)費(fèi)用。我國已經(jīng)指定諧波的限值標(biāo)準(zhǔn)。我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)是《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-l993，該標(biāo)準(zhǔn)對各類電網(wǎng)的諧波值做了明確限定，其中包括交流額定頻率為50Hz，標(biāo)稱電壓110kv及以下的公用電網(wǎng)。

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