电网谐波的危害及抑制技术

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电网谐波的危害及抑制技术

　　 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。

　　 近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，２０世纪７０年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。１９６６年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入１００～２００Ｖ脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。

　　 国际电工委员会（ＩＥＣ）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“ＩＥＥＥ电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（ＴＨＤ）应在５％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求ＴＨＤ应低于３％。

　　 1 电网谐波的产生

　　 1.1　电源本身谐波

　　 由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。

　　 1.2　由非线性负载所致

　　 1.2.1 非线性负载

　　 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。

　　 1.2.2 主要非线性负载装置

　　 （１）开关电源的高次谐波：开关电源由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样。这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。

　　 （２）变压器空载合闸涌流产生谐波

　　 铁心中磁通变化时，会产生８～１５倍额定电流的涌流，由于线圈电阻的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以３次谐波为主。

　　 （３）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生；

　　 （４）电压互感器铁磁谐振过电压：在我国１０ｋＶ、３５ｋＶ等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。在正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感Ｌ和系统对地电容Ｃ在参数上配合，而产生谐振过电压。

　　（５）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（５０Ｈｚ基波）外，还叠加了一系列高次波形——谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近３０％），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表——压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。

　　（６）电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路－开路－短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是０．１Ｈｚ～几十Ｈｚ，这种谐波是以３次谐波为主。

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2　谐波的危害

　　 2.1 污染公用电网

　　 如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。

　　 2.2 影响变压器工作

　　 谐波电流，特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热。

　　 2.3 影响继电保护的可靠性

　　 如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。

　　 2.4 加速金属化膜电容器老化

　　 在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。

　　 2.5 增加输电线路功耗

　　 如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。

　　 如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大１０～２０倍，而感抗仅为其１／３～１／２，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。

　　 2.6 增加旋转电机的损耗

　　 国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。

　　 2.7 影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作

　　 例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生３～１０ｋＨｚ高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。

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3　谐波抑制技术

　　 3.1 整机电源需留有较大贮备量

　　 为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给予较大贮备量，一般选取０．５～１倍余量；

　　 3.2 对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电

　　 因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入的，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电，；

　　 3.3 将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开

　　 因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。

　　 3.4 其余抑制高次谐波的技术

　　 3.4.1 开关电源干扰的抑制技术

　　 一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。

　　 采用电源滤波器，电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。

　　 屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。

　　 减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。

　　 3.4.2 变压器空载合闸涌流抑止方法

　　 根据方程Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωｔ，如果合闸时，α＝90（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合闸），则：

　　 Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＝Φｍｓｉｎωt没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。

　　 3.4.3 抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法

　　 如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。

　　 3.4.4 抑制电压互感器铁磁谐振方法

　　 其方法是要使它脱离谐振区，采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。

　　 3.4.5 抑止整流和逆变产生的谐波

　　 （１）在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只６８０μｆ ２５０ＶＡＣ的电容，（分别接在Ｌ－Ｎ上） 这种方法可使电磁干扰电流降至原来的１／１０，效果较明显；

　　 （２）变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。

　　 3.4.6 抑止电弧炉运行时的干扰

　　（１）在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；

　　（２）可以重新安排供电系统。

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4 结束语

　　 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。

　　 谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。

谐波对于电网的危害非常大，主要表现在以下方面：
1.由于电网主要是按基波设计的。由于LC元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，电网谐振引起设备过电压，产生谐波过流，对设备造成危害。特别是对电容器和与之串联的电抗器。其中，特别要注意的是，由于电容器是容性负载，能与电网上感性设备（其它设备主要是感性设备）配合，构成共振条件，又由于其大小与谐波频率成反比，因此，电容更容易吸收谐波共振电流，引起电容过载，造成电容损坏，或者熔丝熔断。
2.使电网中的电气设备产生额外的损耗（谐波功率），降低了设备的效率，同时谐波会影响设备的正常工作，例如变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，电机产生机械振动等故障，绝缘部分老化、变质，严重时候甚至设备损坏。
3.导致继电保护和自动装置误动或拒动，造成不必要的损失，谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。
另外，谐波还会产生对设备附近的通信系统产生干扰等其他危害。


谐波来源
1、中频炉、电弧炉等设备是该地区谐波的主要来源

中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波（2次到7次）以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5次、7次、11次等奇次谐波为主。
2、用户变压器群是该地区谐波的重要来源

一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半，因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路（中性点不接地或三角形接线），励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变中，都是Y，yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。
3、谐波的其他来源
事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电如电镀、电泵等，生活用电中如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。

消除谐波的方法∶

从源头上消除谐波－不采用有谐波的装置或负载，如采用矩阵变频器、12相以上整流装置，都可以大大减少或消除谐波。
被动消除谐波－ 抑制谐波的方法主要有两种：一种是减小的方法，即采用无源滤波器，它是利用L-C谐振特性，形成对某一频率的低阻抗特性，从而减小流向电网的谐波电流；二是让补偿装置提供反相的谐波电流，以抵消变流器所产生的谐波电流，即有源滤波器。

路人已

危害真多