浅析电力系统中谐波的危害及抑制方法

2014-03-06莫冬青

机电信息 2014年12期

莫冬青

（江门电力设计院有限公司，广东江门529000）

1 谐波概述

谐波的危害已经受到了世界范围的重视，所以为了保证电力系统中用电设备的安全性、经济性以及稳定性，不少国家都根据自身情况设定了相应的谐波标准，其中，IEEE519—1992和IEC555－2是影响力比较大的。

谐波就是在一个周期内电气量的正弦波分量，其频率与基波的频率呈整数倍的关系。根据傅里叶变换原理可知，由于谐波与基波频率的这种整数倍关系，任何波形在进行分解时都可以分为基波和谐波的正弦分量。在相关公式中，“2n”是偶次谐波的意思，其中n必须为自然数。相比较而言，奇次谐波比偶次谐波危害更加大。这是由于当三相系统处于平衡状态时，偶次谐波由于对称关系可以基本被消除，而奇次谐波依然存在。

2 谐波的危害

2.1 对一次设备的危害

一次设备主要包括变压器、电力电容器以及旋转机械等。

谐波频率增加，变压器中的铜损和铁损就会相应增加，从而使得变压器的局部过热，影响变压器的寿命。在电力系统运行过程中，要严格防止变压器的电容器和绕组发生串联谐振，这是由于谐波过电压的产生会加速变压器的绝缘老化，严重时甚至会出现击穿事故。

谐波次数的增加会使电容器的介质损耗增加，从而造成温度升高，影响电力系统的整体寿命，所以系统产生的高次谐波含量越多，其造成的损耗就越多。由于结构原因，电容器热量散失速度慢，热量累积有可能会导致热击穿。

谐波不仅会在电机的定子绕组中造成一定的有功损耗，还会产生一个旋转磁场，从而产生无功附加损耗，这样会加剧电机定子和转子温度的升高幅度。另外，谐波与基波产生的磁场均会作用在转子上，引起汽轮发电机的周期性振动，产生噪声，这种振动的累积就会使汽轮机的轴和叶片的使用寿命大大减少。

2.2 对二次设备的危害

二次设备主要包括继电保护、自动装置、测量设备、用电设备和通信系统。

设备正常运行时，空载合闸产生的励磁涌流谐波分量较多，迫使二次电流波形畸变，从而造成电流幅值超过自动保护装置的设定值而发生误动作。当设备出现故障时，谐波对距离保护影响很大，这是由于阻抗继电器的设定值是按系统的基波阻抗进行整定的。高次谐波会加剧测量误差，从而造成拒动或误动。

在正常情况下，对于功率定义都是以平均值为基准，一旦电路中出现谐波，功率的概念就不适用了。但是对于谐波电路的功率现象还没有完善的理论可以解释，现在普遍存在同一厂家制造的同一种仪表对同一电气量的测量结果会有15%以上的误差，所以对于谐波功率的计量方式和分类定义要更加合理，以使相关收费问题得到解决。

谐波同样也会对用户负载产生干扰，尤其是计算机系统。在计算机系统中，磁性元件是较为敏感的元件，谐波会使计算机的数据处理系统的精度和性能有所降低，对电视机的影响主要在于尺寸和亮度的变化，对白炽灯则是影响其使用寿命。

谐波主要是通过感性耦合干扰通信线路，从而会使通信系统中出现噪声，通信清晰度大大降低，严重时还会造成信号丢失。

3 抑制方法

在如今工业以及信息产业化快速发展的时代，人们对电能有了更高的要求。为了使电能的质量有所提高，使用电设备运行的安全可靠性增加，我们必须致力于对谐波抑制方法的研究。就目前的技术来看，减少电网谐波主要应从以下3个方面考虑：一是从源头上减少谐波的产生；二是在谐波作用过程中减少其影响，例如安装源头过滤装置；三是在谐波流入负载端时减少其影响，主要是在负载端安装过滤装置。过滤装置主要包括无源滤波器（PPF）、有源滤波器（APF）以及混合滤波器（HAPF）。

3.1 基于无源滤波的电力系统谐波抑制

PPF是一种常见的处理谐波的设备，由各种电气元件适当组合而成的滤波设备在与基波源串联的情况下，将需要消除的谐波次数与滤波器振动次数设为一样的，该次谐波大部分便会注入到滤波设备中，使得整个系统的功率因数得到改善。PPF（图1）主要是利用LC电路进行滤波，该技术由于应用时间较长是比较成熟的。它的主要优点有：电压高、容量大；改善功率因数；节约成本，维修方便；技术成熟，运行可靠等。其缺点主要是：该设备不仅会滤去谐波还会滤去一部分基波，这就使得其容量被占用；设备一旦出现过载，就会被烧毁。