浅析供电系统中谐波的危害及其抑制措施

江培荣　李方军

【摘 要】随着我国对电网谐波污染治理的重视，绿色电力电子呼声愈来愈高，电力有源滤波器得到广泛应用。本文简述了供电系统中典型非线性设备产生谐波的原因，分析了谐波对供配电系统、用电设备等系统运行造成的危害，以及对电力保护、电能测量准确度的影响。提出了谐波的抑制措施。

【关键词】供电；谐波；危害；抑制措施

引言

近年来，电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱，随着电力电子电路用电设备的急剧增加，电力电子技术带来方便高效和巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给公用电网的供电造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率，另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备及气体放电类照明器具的普遍使用，都导致了电源波形严重畸变。

1.谐波产生的原因

交流电网中，谐波主要来源于电网中的非线性用电负荷。例如：变压器、变流设备、节能器具、电视机、气体放电类光源及计算机等。这些设备在向电网吸取基波功率的同时，也向电网注入谐波电流和谐波功率。因此，它们是电网中的谐波源。典型非线性设备有变压器、气体放电类照明器具和各种含有变流电路的电源等。

1.1变压器

变压器的非线性是因其铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的。磁化曲线具有饱和、死区和滞后三种典型非线性特性，它以原点对称，在正弦波电压的作用下，励磁电流为对称函数，并满足f=（ωt+π）=-f（ωt）。应用傅里叶级数分解时仅有奇次项。对于三相对称的变压器来说，其3的奇数倍（3次、9次、15次……）谐波均为零序，会受到变压器接线方式的影响。故可认为变压器是一种只产生奇次谐波的电流源型谐波源。它的谐波次数还受一、二次侧接线方式（Δ或Y）的影响，大小则与其磁路的结构形式、铁芯的饱和程度等有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作总偏离线性越远，谐波电流就越大。导致变压器过热甚至损坏。

1.2气体放电类电光源

常用的电光源分为两种：热辐射类电光源，如白炽灯、卤钨灯；气体放电类光源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。测量及分析气体放电类光源的全伏安特性可知，其非线性十分严重，还含有负的伏安特性。气体放电灯使用时必须与电阻或电感串联，使其综合伏安特性不再为负，才能正常工作，串联的电阻或电感统称为镇流器。其非线性相当严重，其中3次谐波含量达20%以上（以基波百分数表示）。故气体放电类电光源灯具属于电流源型谐波源。

1.3变流电路

工业中的整流电路和变频设备。由于开关型整流电源的效率可达到87%，而串联型整流电源效率低于50%，目前的电气设备都采用开关型电源，这类电路的电源侧即是整流电路，且大多数为单相全波整流电路。其负载按具体线路则可分为感性负载和容性负载两种。感性负载的单相整流电路为仅含奇次谐波的电流源型谐波源，其中3次谐波含有量达30%以上；容性负载的单相整流电路也只含有奇次谐波。但是由于电容电压会通过整流管向电源侧回馈，故属于电压源型谐波源。其谐波含有量与电容值C有关，C越大，谐波含量越大。变频电路也是一种谐波源，常用有风机、水泵、电梯的调速电路。特别要指出的是：彩色电视机、微型计算机等家用电器和办公设备中的整流电路，虽其单台功率较小，但数量巨大，已成为民用建筑中最主要的谐波源。

2.谐波的危害

2.1影響供配电系统的稳定运行

配电系统中的电力变压器电力线路通常采用继电保护措施，在故障（过载、短路、接地、绝缘损坏等）情况下保障系统和设备的安全。其检测部分常采用电磁式继电器、感应式继电器和晶体管型继电器。其中电磁式、感应式继电器对10%含量以下的谐波并不敏感，当谐波含量达到40%时将导致继电器保护系统误动作。晶体管继电器具有很多优点，将取代电磁式和感应式继电器成为未来的发展方向。但晶体管继电器采用整流取样电路，极易受谐波影响，产生拒动或误动。因此，谐波的泛滥将严重地威胁供配电系统的安全、稳定运行 。

2.2增加供配电系统的附加损失

民用建筑低压配电系统中的中性线，由于所负载为荧光灯、计算机和办公设备等，将产生大量的奇次谐波，其中3次谐波含量最大，可达40%以上。在三相配电线路中，3根相线上的3的奇数倍谐波在中性线（N）或保护中性线（PEN）上会直接相加，导致中性线或保护中性线上的电流值超过相线上的电流值。如果中性线（N）或保护中性线（PEN）的截面选择过小，就会使其长期过热，损坏绝缘，甚至引发火灾。

2.3影响供配电设备和用电设备的正常工作

供配电设备和用电设备设计时均以50HZ正弦波为额定条件，如谐波过大将会导致额定工作点偏移，造成设备的功能不能正常发挥，甚至损坏。如变压器和电动机在谐波的作用下会产生附加损失、过热、机械振动、噪声及过电压等。电力电容器、电抗器和电力电缆等会在谐波过大时过热、甚至烧毁。断路器、自动开关、接触器等开关设备在谐波下也会降低其断流能力。

2.4影响电力测量和电能计量的准确性

目前采用的大量仪表分为电磁型、电动型、磁电型和感应型几种。其中电磁型和电动型对谐波不敏感，但磁电型和感应型受谐波影响较大，特别是电能表，多采用感应型，在谐波较大时会产生电能计量的混乱。

2.5对其他系统的干扰

弱电系统中，如计算机网络系统、电话系统、有线电视传输系统、自动化系统、消防报警系统等。电力线路通过电磁感应、静电感应和传导3种方式耦合到其他系统而产生干扰。其中电磁感应、静电感应的耦合强度与干扰源的频率成正比。谐波具有较高的频率，故干扰将大大超过基波。传导是通过公共接地耦合的，在谐波情况下，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14549-93），规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入电流谐波的允许值。

3.谐波的抑制措施

供配电系统中的谐波主要为奇次电流源型谐波，其抑制方法分补偿和消除两种：补偿是设置吸收装置来吸收谐波；消除是通过改变谐波源工作方式和工作特性，使其少产生甚至不产生谐波。供配电系统中常用的谐波抑制措施有以下几种：

3.1设置LC滤波器

LC滤波器是传统的谐波补偿装置。供配电系统中如加装电抗器L与电容器C组成LC调谐波滤波器，即可补偿无功功率，又可吸收谐波。其缺点是只能补偿固定频率的谐波，且易和系统中其他频率谐波发生谐波，导致谐波放大。

3.2设置有源滤波器

有源滤波器（APF）是近年来发展迅速的新技术，它采用了实时检测的闭环运行方式，使得有源滤波器能动态抑制谐波并能补偿大小和频率都变化的谐波。有源滤波器是运用瞬时滤波形成技术，对包含谐波和无功分量的非正弦波形成“矫正”，它有很快的响应速度，对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿，并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。有源滤波器根据电路组成形式和接入电网方式的不同，分为电压源型和电流源型及串联型和并联型。有滤波器的显著优点之成为未来谐波补偿的发展方向，它将取代传统的LC滤波器。

3.3采用D，yn11联结组别变压器

其一次侧为Δ形联结，3的奇数倍谐波在原边Δ形绕组内形成环流，不至于将谐波电流注入公共电网，有利于抑制谐波对公共电网的污染。此外，D，yn11聯结组别变压器还能提供更小的零序阻抗，有利于切除单相接地短路故障。

3.4增大TN-S、TN-C、TN-S-C中性线截面

民用建筑用电设备大多数为单相负荷，为功率小但数量多的谐波源，谐波补偿不宜分散进行，因此，在选用配电系统的中性线（N）或保护中性线（PEN）的截面时，应严格按照JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》中规定执行，即当用电负荷大部分为单相用电设备时，其N线或PEN线的截面不宜小于相线截面；以气体放电灯为主要负荷的回路中，N线截面不应小于相线截面。

3.5采用新型整流电路

研制新型高功率因数，低谐波的整流电路和控制方式已成为当务之急。目前，已有PWM整流器和带斩波器的二极管整流电路等新型整流电路在各种开关电源中使用，这将是从根本上抑制谐波产生的方法。

结论

目前，楼宇用电占国家总用电的比例愈来愈高，用电已成为整个电力系统中主要的谐波产生源之一，谐波对工业和民用建筑的危害已引起人们的高度重视，抑制谐波，提高电能质量已迫在眉睫。