電力系統(tǒng)諧波的分析和研究

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備越來越多地問世和使用，高次諧波的影響越來越嚴重。電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運行效率，重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運行。以前，電力系統(tǒng)考核電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是電壓的幅值和頻率，現(xiàn)在世界各國都把電網(wǎng)電壓正諧波形畸變率極限值作為電能質(zhì)量考核指標(biāo)之一，正確認識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際意義。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)、諧波、繼電保護、濾波

根據(jù)IEEE 的定義，諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。用T表示為工頻周期，f 為工頻頻率，ω = 2πf 為相應(yīng)的角頻率。f（ωt）代表以T為周期的信號， 則

f（ωt） = A0 + ∑Cnsin （nωt +φn）

式中 A0 為f（ωt）的直流分量；

C1sin （ωt+ φ1）為基波分量；Cnsin （nωt + φn）為n次諧波分量

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）可控硅整流裝置和調(diào)壓裝置等的廣泛使用，晶閘管在大量家用電器中的普通采用以及各種非線性負荷的增加導(dǎo)致波形畸變。

（2）設(shè)備設(shè)計思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或裕量較大的設(shè)計。現(xiàn)在為了競爭，對電工設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計。例如有些設(shè)計為了節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區(qū)段，而在這些區(qū)段內(nèi)運行會導(dǎo)致激磁材料波形嚴重畸變。

2 諧波對電力系統(tǒng)的危害

諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴重，諧波源的注入使電網(wǎng)諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網(wǎng)，對各種電氣設(shè)備都有不同程度的影響和危害。現(xiàn)將對具體設(shè)備的危害分析如下：

（1）對大型汽輪發(fā)電機來說，若發(fā)生多次諧波振蕩，諧波電流超過額定電流的25%時，由于上述原因可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過熱而損壞。

（2）架空線路諧波電流產(chǎn)生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導(dǎo)致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會產(chǎn)生熱損，使電纜介損、溫升增大。

（3）電力電容器由于諧波電流會引起附加絕緣介質(zhì)損耗，加快電力電容器絕緣老化。系統(tǒng)諧波電壓或電流發(fā)生諧振則引起過電壓和過電流，對電氣設(shè)備絕緣損壞。

（4）電子計算機會由于諧波干擾發(fā)生失真；工業(yè)電子設(shè)備功能會因其被破壞。

（5）影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電器，感應(yīng)式繼電器或新式微機保護進行檢測保護，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產(chǎn)生誤動作，微機保護由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導(dǎo)致誤動或拒動，這樣諧波嚴重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。由于不同類型繼電器的設(shè)計性能和工作原理不同，諧波的影響程度也不同。感應(yīng)型繼電器的可動部分慣性較大，動作速度慢，諧波轉(zhuǎn)矩對其影響并不嚴重。但是對于應(yīng)用積分比相器原理構(gòu)成的整流型繼電保護裝置（如高頻相差保護和差動保護），當(dāng)波形出現(xiàn)諧波畸變時，過零檢測易于出錯，從而造成保護不正確動作。微機型繼電保護裝置通過在硬件中采用濾波單元，在軟件中采用數(shù)字濾波技術(shù)，可以削弱諧波的影響，但是對于一些采用快速算法的高速保護，諧波的存在仍然會帶來一定的不利影響。

（6）諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線損外，還將對相鄰?fù)ㄓ嵕€路產(chǎn)生干擾影響。

（7）影響電力變壓器的使用：諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。

3 電力系統(tǒng)抑制諧波的措施

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條。一條是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的。另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1。

電力系統(tǒng)抑制諧波的主要措施有：

（1）在補償電容器回路中串聯(lián)一組電抗器

（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)諧濾波器是針對某個特定次數(shù)的諧波而設(shè)計的濾波器，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)的濾波器類型、組數(shù)及其調(diào)諧頻率（濾波次數(shù)）可由具體計算決定。

（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，高次諧波電流只約占全電流的1%，危害性大大降低

（4）靜止無功補償裝置近年來獲得了很大發(fā)展，其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器（Fixed Capacitor + Thyristor Controlled Reactor，縮寫為FC+TCR）。比SVC更為先進的現(xiàn)代補償裝置是靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，縮寫為SVG）。SVG也是一種電力電子裝置，采用PWM控制，即可使其輸入電流接近正弦波。

4 結(jié)論

（1）諧波的發(fā)生影響整個電力系統(tǒng)的環(huán)境，如在通訊中因發(fā)生諧波噪聲使通話質(zhì)量下降，使控制和保護設(shè)備發(fā)生誤動作以及使電力裝置與系統(tǒng)過載，給電力系統(tǒng)正常運行造成危害。

（2）諧波的管理通常是制定用戶公共連接點處的電壓諧波含量限制標(biāo)準(zhǔn)，即制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)措施，嚴格控制，凈化電力系統(tǒng)環(huán)境。

（3）在測量諧波時必須注意PT與CT的精確度，否則造成誤差很大，用CT末屏分壓測取系統(tǒng)的諧波電壓具有準(zhǔn)確、方便的優(yōu)點。在超高壓系統(tǒng)諧波電壓測試中得到推廣運用。

（4）通過采取有效抑制諧波措施，可以改善用戶用電質(zhì)量，同時，能減少諧波對電網(wǎng)的沖擊，有效治理諧波污染，在節(jié)能減排過程中，能取得相當(dāng)?shù)纳鐣б妗?/p>

參考文獻：

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作者簡介：

姓名：王海山（1983.11--）；性別：男，籍貫：山東省青島市，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于鄭州大學(xué)；在讀研究生，就讀于山東科技大學(xué)）；現(xiàn)有職稱：中級工程師；研究方向：電力工程技術(shù)管理；