浅谈电力系统谐波危害及抑制

郭富龙

（扬州供电公司，江苏 扬州 225600）

1 谐波产生源

电力系统的谐波由谐波源传入电网中。现代化电力系统中，非线性设备作为谐波源，包括传统非线性设备和现代电力电子设备两大类。传统非线性设备:包括变压器，旋转电机以及荧光灯等；现代电力电子非线性设备:有在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。

2 电力谐波的危害性分析

2.1 对电力系统的危害

2.1.1 影响电力线路的稳定运行

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器在谐波含量10%以上时对动作值会产生影响，高达40%时会导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

2.1.2 影响电网的电能质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。

2.2 对电力设备的危害

对电力电容器的危害：当电网存在谐波，含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，不仅使电容器运行电压的有效值增大，而且可能使峰值电压增大很多，使电容器在运行中发生局部放电时电弧不能熄灭，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命，在谐波严重的情况下，还会引起电容器过负荷击穿甚至爆炸。

对电力变压器的危害：谐波使变压器的铜耗增大，包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大。

对电力电缆的危害：由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

2.3 对用电设备的危害

对电动机的危害：由于集肤、磁滞、涡流等随着谐波频率的升高，使旋转电机的铁心和绕组中的附加损耗增加，降低效率，产生附加温升，限制电机的运行条件。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，减少电动机的出力。谐波过电压威胁绝缘，有可能引起较大的谐波轴电压，从而击穿轴承油膜，这将缩短电动机的寿命，甚至损坏电机。谐波严重时会使电机产生机械谐振，发出巨大的噪声。

对低压开关设备的危害：对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

3 减少谐波影响的抑制、治理措施

3.1 降低谐波源的谐波含量

这种方法比较积极能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

增加整流器的脉动数：整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈l1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。

脉宽调制法：脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证1/4波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线：三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11......等次谐波。

3.2 在谐波源处吸收谐波电流

这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法，目前常用的方式采用有无源滤波装置和有源滤波装置等。

无源谐波滤除装置：无源滤波器也称为LC滤波器，可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器，实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置，单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路，其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。无论高压和低压都是一样的。高压滤波器和低压滤波器的区别，主要是使用的元器件的耐压不同，其所承受的电流也不同，要求的安全距离也就不同，其设计和制造的难易程度也就有极大的区别。

有源谐波滤除装置：有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统。

3.3 改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其他负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

结语

随着我国电能质量治理工作的深入开展，综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题，是电力企业当前面临的一大课题。针对这一课题深入研究，在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。

[1]宋文南.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社.1995.

[2]张炎鹏.浅谈电力谐波的危害与综合治理[J].山东电力高等专科学校学报，2006（01）.

[3]王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2005.