谈谐波处理及措施

王亮

【摘要】谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，它会使电力系统的电能质量下降，同时会对电力系统中的一些设备产生危害。我们要研究如何消除谐波，提高电力系统电能质量。

【关键词】电气工程 谐波 电能质量

1、引言

理想的电能应该是完美对称的正弦波。谐波的混入会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们要研究谐波产生的原因，另一方面我们要研究谐波会导致哪些问题，最后，我们要研究如何消除谐波，从而在一定程度上使电能接近正弦波。

2、谐波产生的原因

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半導体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会呈现比较大的背离正弦曲线波形。

所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

3、谐波产生的危害

谐波的危害主要由以下几个方面，

（1）对变压器的影响，变压器由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘老化加速，导致绝缘损坏，发生触电危险，正序和负序谐波电流同样使得变压器铁芯产生磁滞伸缩和噪声，电抗器产生振动和噪声。

（2）对并联电容器的影响，并联电容器的容性阻抗特性，以及阻抗和频率成反比的特性使得电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，当其容性阻抗与系统中感性阻抗匹配时，容易构成谐波谐振，使电容器发热导致绝缘击穿的故障增多，谐波电压与基波电压峰值发生叠加，使得电容器介质更容易发生局部放电，此外谐波电压与基波电压叠加时使电压波形增多起伏，倾向于增多每个周期中局部放电的次数，相应的增加了每个周期中局部放电的功率，而绝缘寿命则与局部放电功率成反比。

（3）对断路器的影响，谐波电流的发热作用大于有效相等的工频电流，能降低热元件的发热动作电流，高次谐波含量较高的电流能使断路器的开断能力降低，当电流的有效值相同时，波形畸变严重的电流与工频正弦波形的电流相比，在电流过零时的di/dt可能较大，当存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈就不能正常工作。

（4）对电子设备的影响，使相位控制设备的正常工作因控制信号紊乱而受到干扰，如电子计算机误动作，电子设备误触发，电子元件测试无法进行等。

（5）对通信线路的影响，使通信线路、信息线路产生噪声，甚至造成故障。

（6）对继电保护的影响，使得某些类型的继电保护，如晶体管整流型距离保护、变压器及母线复合电压保护由于相位变化而误动作或拒动作。

4、谐波的防治措施

（1）采用较高的电压级给谐波源供电，电压越高，短路容量越大，对谐波的承受能力越大。

（2）增加变流器的脉冲数等方法，增加变流器的脉动数，增大转相电抗和改善触发对称度，非线性负荷尽量集中供电，利用谐波源之间的相位不同以抵消部分谐波。

（3）装设谐波补偿装置，即采用LC组成的无源调谐滤波器，谐波补偿装置既可补偿谐波，又可提高电网的功率因数，而且结构简单，因此一直广泛使用。

（4）采用有源电力滤波器，其基本原理是实时监测电网中电流，快速分离出谐波电流分量，发出控制指令，实时产生大小相等方向相反的补偿电流注入电网中，实现瞬时滤除谐波电流。

5、谐波允许值

根据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定，公用电网谐波电压（相电压）的限值如下表

公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流允许值如下表

6、举例

乌鲁木齐米东区工业园内某汽车零件制造厂，在未进行设计评估的情况下，引进了一台大容量电阻焊机。在大容量电阻焊机运行过程中，工业园区开闭所保护该厂高压线路的高压断路器跳闸，约每天跳闸10次以上，导致生产无法进行。

经设计核查该大容量电阻焊机为谐波源，运行时该厂功率因数在0.5左右，配电室低压电容器未设置电抗器，厂房内高压断路器未跳闸，而上级开闭所高压断路器跳闸。经分析可知，该大容量电阻焊机产生的谐波与工频电压发生叠加，且很可能与电容器产生谐振电路，进一步放大了谐波的作用，导致上级高压断路器跳闸即越级跳闸。

处理方案为，电容器加装串联电抗器，并增加电容器容量，采用自动补偿装置，提高功率因数和补偿效果，同时并联电容器和电抗器组成并联LC无源滤波装置，可对谐波启到抑制作用。同时计算变压器确认是否需要加大一级，提高负荷容量承载力，重新对该厂高压断路器和上级高压断路器进行继电整定，满足继电保护和上下级配合的要求。

7、结论

随着企业的技术改造及设备升级换代，非线性电力设备愈加广泛应用，由此导致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，诱发火灾等安全事故，另一方面也影响了计算机、可编程控制器等自动化控制设备正常工作，直接扰乱了人们正常的生产、生活。本着谁污染，谁治理的原则，企业应加大投入，合理用电，抑制电网污染，确保电网中其他用户使用到清洁的电能，肩负起企业应担负的社会责任。

参考文献：

[1]中国航空工业规划设计研究院等，工业和民用配电设计手册（第三版），北京：中国电力出版社，2005。

[2]《钢铁企业电力设计手册》委员会，钢铁企业电力设计手册，北京：冶金工业出版社，1996.

[3]王兆安、黄俊，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[4]宋文南、刘宝仁，电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，1995.