基于电力系统谐波危害及抑制措施探析

赵德均

摘要：谐波的危害已越来越严重，成为电网的一大公害。本文叙述了电力系统中谐波的来源，并详细阐述了谐波的危害及允许标准，最后对当前谐波治理的主要抑制措施进行了探讨。

关键字：电力系统；谐波危害；允许标准；治理

一、引言

随着人们生活水平的提高，在人们对电能需求量日益增加的同时，对供电质量的要求也越来越高。但是，大量的电力电子设备在给人们生活提供便利的同时，也导致大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。

二、电力系统中谐波的来源

理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压。但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。

电力系统中谐波主要来自于两个方面：一方面是自身产生的谐波，另一方面是用户非线性设备注入到电网的谐波。

2．1 自身携带的谐波

(1)发供电系统中交流发电机内部定子和转子间的气隙，由于受到铁心齿、槽和工艺的影响，分布不均匀，虽然各相电势的波形对称，但三相电势中必然含有一定数量的奇次谐波。

(2)输配电系统中变压器的励磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或过励磁时则更为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源。

(3)电网中投切空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。

2．2用户非线性设备产生的谐波

随着电力电子技术发展，供电系统中增加了大量非线性负载，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛应用。非线性用电设备已是产生谐波的主要原因。

三、谐波的危害

谐波对发供电设备及用户设备带来的危害，主要表现在以下7个方面。

(1)电气设备增加的损耗和过载

首先由于谐波的存在，导致电气设备中铜耗和铁耗增加，不利于节能。其次，因为增加了谐波损耗，当损耗变为热能时，电气设备的发热增加了，导致温升增加，引起过载。温升增加会加速绝缘的老化，降低绝缘强度，加大泄漏电流，从而降低了绝缘的寿命。

(2)降低功率因数

电力谐波的存在，可能通过电容器放大，至使电容器容易损坏，甚至不能投入，从而造成系统功率因数降低。

(3)电动机性能变差

谐波对电动机来说，可以引起附加损耗，产生机械振动和噪声等。除了基波对电动机产生转矩作功外，谐波也会产生附加的谐波转矩。 k次谐波的同步转速为基波同步转速的1/k，因此，在电动机低速时可能使转矩有较大的改变，严重时可能使电动机在低速“爬行”。

(4)电容器过载、膨胀和损坏

电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加速电容器老化，箱体膨胀甚至炸裂。

(5)测量仪表和继电器附加谐波误差

常规的测量仪表是设计并工作于正弦电压、正弦电流波形的，这时它的精度符合要求。但是，由于供电电压中有高次谐波或者负载电流中有高次谐波，测量仪器的工作条件达不到满足，就会增加误差。同样，谐波对继电器也会产生附加误差，甚至发生继电保护误动作。

(6)谐波对录像和音响设备的干扰

照明艺术是舞台表演艺术中的重要组成部分，其中调光设备必不可少。随着晶闸管相控调光容量增大，谐波干扰也日益严重。其干扰主要有以下三种。

a．传导干扰。谐波电流使供电电源的正弦波形畸变，供电质量下降，因而连在同一电源的其他用电设备会受到干扰。

b．辐射干扰。通过空间传播的电磁干扰，影响其他用电设备。

C．噪声干扰。脉冲电流通过灯泡的灯丝，由于电动力的作用，会使灯丝产生叫声，从而使舞台演播厅的噪声增大。

(7)谐波对通信线路的干扰

电力系统的谐波会对通信线路产生干扰，其干扰主要通过以下三种途径。

a．电容耦合。通过电力线路和通信线路之间的分布电容，电网的谐波电压耦合到通信线路上。

b．电磁感应。电网的谐波电流产生围绕导线的交变磁场，通过电磁感应而影响临近的通信线路。

C．共地干扰。如果电力系统的中性点直接接地，则接地点电位受谐波电压的影响。如果通信线路也利用该大地的接地点作参考电位，则通信线路就会受到谐波的干扰

四、谐波干扰的允许水平和标准

电力电子装置在运行过程中必然会产生各次谐波。根据现有的技术水平，要求他们不产生任何谐波是不现实的。但是，如果谐波限制在一定范围内，使谐波干扰的影响很小，在工程上是可以接受的。为此，我国制定了谐波容许水平，并作为标准实施。在介绍标准之前首先介绍衡量谐波的两个参数。

(1) 总正弦波形畸变率THD(Tot a1 Harmonic Distortion)，简称总畸变率。其定义为：

总电压畸变率THDu =

总电流畸变率THDi=

而k次谐波的电压畸变率HD(Harmonic Distortion)或称谐波含有率HR(Harm0nic Ratio)为HDu(HRUk) = ×100％

(2)相对谐波含量RH(Relative Harmonic content)，其定义为：

RH=

他们之间的关系是

根据国家经济委员会批转的《全国供用电规则》，原水利水电部颁发了《（SD123—84）电力系统谐波管理规定》，以及国家标准《GB/T14549—93电能质量公用电网谐波》，表1列出了电网电压正弦波形畸变率的极限值(相电压)。

五、电力系统谐波抑制措施

5．1电力系统谐波的抑制方法

电力系统谐波抑制主要有主动法和被动法两种措施。

(1)主动法

主动法是在设计电力电子装置时，通过改进技术手段等方法来优化其性能，达到减少谐波干扰的目的。

整流装置是供电系统的主要谐波源之一，对于整流装置可采用增加整流装置的相数，即多脉整流又称多重化技术，是抑制谐波干扰的有效手段。但是24脉及24脉以上的多脉整流器，变压器链连接复杂，容量也不能充分利用，成本高。因此小功率电力电子装置，多用6脉整流，中等容量的电力电子装置，约在1500kVA以下，宜用12脉整流，大容量电力电子器件则根据实际情况选用24脉及以上的整流。

(2)被动法

被动法是电力电子装置已经产生了大量谐波，如何使谐波少流入电网即采用滤波器对谐波进行补偿。用可关断电力电子器件和PWM技术减少谐波干扰。

5．2电力系统谐波的抑制措施

(1)无源功率滤波器

无源功率滤波器(Passive Power Filters简称PF)，通常是利用LC电路进行滤波，主要是用电容器为高次谐波提供低阻抗的分流电路。

这一技术比较成熟，它的优点有：

a．电压可以做的较高，容量可以做的较大；

b．在吸收高次谐波的同时，可以补偿无功功率，改善功率因数；

C．结构简单，维修方便，成本较低；

d．运行可靠，技术比较成熟，操作人员较成熟。

工程上可以把无源功率滤波器和无功补偿装置结合起来，同时改善功率因数。以取得较好的经济效果。

无源功率滤波器的缺点有：

a．流过滤波器的电流除了谐波电流外，还有基波电流，因此滤波器的容量要相应增加，特别是低次谐波滤波器；

b．如果因扩容等原因所产生的谐波超过滤波器设计时的参数，可能造成滤波器因为过载而损坏；

C．电网频率偏移，电容器件老化，或温度特性变化等因素，导致滤波器谐振频率与待抑制谐波频率偏移，影响抑制效果；

d．当有多个低次谐波时，需要用多个滤波器，因此体积较大。

(2)有源功率滤波器

有源功率滤波器(Active Power Filter简称APF)，其原理是用一个逆变器产生一个与电网谐波电流反相的补偿电流，注入电网，以抵消电力电子装置产生的谐波电流干扰。

有源功率滤波器的优点有：

a．用一台装置可以处理单个高次谐波或者多个高次谐波。

b．如果高次谐波的发生量增加，由于本装置能控制使其不超过额定电流，所以不会发生过载和损坏。

有源功率滤波器的缺点有：

a．损耗较大，当功率增加时，有源功率滤波器装置损耗百分比可望下降；

b．受电力电子器件功率容量的限制，目前有源功率滤波器的容量还不能做得很大，并且价格较高。

(3)有源和无源功率滤波器结合的混合功率滤波器

混合功率滤波器就是将有源滤波器和无源滤波器串联，再并联于电网，以补偿谐波的一种滤波器。无源功率滤波器承担主要的补偿容量，有源功率滤波器用来改善无源功率滤波器的特性。

六、结束语

谐波对电力的影响较大，谐波的综合治理工作势在必行。消除电力电子装置谐波污染的工作，可称之为电力电子技术应用的“绿色工程”。 因此，研究抑制消除电力系统中的谐波，确保电力系统能安全稳定运行是十分必要的。然而，现在虽然有源功率滤波器效果较好，但是因为电子器件功率容量的限制，其价格高。但是，随着技术发展，相信其性能会越来越好。谐波抑制是一个长期的综合性的治理过程，只有各个方面都严格按照规定标准执行，才能既减少电能损耗，又能保证电气设备安全稳定运行。同时，电力电子技术的推广和利用才能有更为广阔的发展前景

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。