浅析电力系统中谐波的危害及其抑制措施

浅析电力系统中谐波的危害及其抑制措施

王江

(中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430000)

摘要：电力系统中谐波的存在对供电安全及电能质量有着很大的危害，抑制谐波对保证电力安全及电能质量有着重要的意义。现简要介绍电力系统中谐波产生的原因和危害，并总结抑制谐波危害的措施。

关键词：电力系统；谐波；抑制；无源滤波；有源滤波

收稿日期:2015-05-28

作者简介：王江(1987—)，男，湖北黄冈人，助理工程师，电力调度，研究方向：电气运行与调度。

0引言

谐波是指电流中所含有的频率为基波频率整数倍的分量，一般指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。在电力系统中，谐波产生的根本原因是非线性负载的存在，当电流流过非线性负载时，电流与所加电压不成线性关系，就形成非正弦电流，即电路中产生了谐波。谐波导致的压降和波形畸变将导致供电质量下降，还会对电力系统中各一、二次设备产生不利的影响。本文通过分析谐波产生的原因及造成的危害，提出一些抑制谐波的方法。

1谐波的危害

谐波对电力系统的安全稳定及经济运行有着巨大的危害，还会对电气设备造成损害，主要表现在以下几个方面：

1.1使电能质量下降

谐波的存在会使系统电压发生畸变，增加用电设备的功率消耗，降低电力系统功率因数。

1.2对电气设备的影响

(1) 增加输电线路损耗。谐波电流在输电线路上产生谐波压降，还会增加输电线路的电流有效值，导致输电线路的附加损耗。

(2) 增加变压器损耗。谐波会使得变压器的电阻损耗、涡流损耗及因漏磁而产生的杂散损耗增加，3的倍数次的谐波会在三角形接法的绕组内产生环流，使绕组发热。

(3) 缩短电力电容器寿命。谐波的存在会使得电压中含有尖顶波形，当谐波和基波电压产生叠加时，峰值电压的上升会使得电容器的介质变得更容易导电，电压升高10%会导致电容器寿命缩短一半。

(4) 增加感应电动机的损耗和发热，且当电动机的谐波电流频率接近零配件的固有频率时，会使电动机产生较大的震动及较大的噪音。

1.3对继电保护的影响

谐波会影响继电保护和自动化设备的正常工作，对于按照基波负序量整定的继电保护来说，当系统发生谐波畸变时，数字式继电保护的数据采样和过零工作会产生误差，导致继电保护误动/拒动、保护失灵或保护装置动作不稳定。谐波的存在还会导致电力计量上的误差。

1.4干扰通讯网络

在通讯线路和电力线路距离较近时，线路间的电磁感应和静电感应会使周围形成电场和磁场的耦合，从而降低通讯信号的强度，使信号质量下降，通话质量降低，严重的还会导致对人身有危害的过电压。

2抑制谐波的方法

为了提高供电质量，我们必须减少谐波的危害。抑制谐波主要可从以下两个方面着手：一是改造用电设备使之不产生或少产生谐波；二是外加滤波器，过滤谐波源产生的谐波。

对于改造用电设备来说，主要方法就是采用脉宽调制、增加整流装置的脉动数、多重化接线以及加入滤波装置等。当整流相数增加一倍时，谐波电流可以下降3/4，整流设备产生的谐波得以有效减少。对于工厂用电还可考虑加装无功补偿装置，在谐波源处安装并联无功补偿装置，可以有效减小谐波量，且起到稳定电压和提高系统功率因数的作用。

抑制谐波的另外一个方法就是加装滤波器，滤波器分为无源滤波器和有源滤波器，目前国内采用较多的是无源滤波器。

2.1无源电力滤波器

无源电力滤波器(PPF)又称LC滤波器，它是由电容、电感和电阻串联接地后再与负载线路并联，并按照一定参数相互配置的一种滤波装置。无源电力滤波器是目前采用比较广泛的一种装置，其原理是在谐波频率时容抗和感抗相等而相互抵消，此时电感和电容工作在串联谐振的状态下，此过程称为调谐。滤波电路的电阻为低阻值电阻，在调谐频率上，滤波器对外表现为低阻抗，这样高次谐波就会通过滤波器经低阻进入大地，从而被消除。对于非调谐的基波，滤波器表现为高阻抗，基波无法通过滤波器，对其影响很小。

无源滤波器又分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。

2.1.1　单调谐滤波器

单调谐滤波器只能滤除单一频率的谐波，单调谐滤波器对n次谐波的阻抗为：

单调谐滤波器发生谐振时，谐振频率为：

在谐振的时候，感抗和容抗相互抵消，Zfn=Rfn，n次谐波流入滤波器被消除。而对于其他频率的谐波，Zfn≫Rfn，基波和其他频率的谐波无法流入滤波器，不会被滤波器滤除。从以上分析可知，将滤波器的谐振频率和需要滤除的谐波频率设置相同，就可以将该谐波滤除，而对于基波和其他频率的谐波几乎没有影响。

2.1.2　双调谐滤波器

双调谐滤波器原理图如图1所示，双调谐滤波器有两个谐振频率，可以同时吸收两个频率的谐波。双调谐滤波器的阻抗可以看作由C1、L1、R1组成的串联阻抗Z1和由C2、R2与L2、R3组成的并联阻抗Z2的叠加，总的阻抗为Z=Z1+Z2。双调谐滤波器并联支路的基波阻抗远小于串联支路的基波阻抗，并联支路所承受的基波电压也远小于串联支路的基波电压，此类滤波器在高压直流输电中得到了广泛的应用。

图1　双调谐滤波器原理图

2.1.3　高通滤波器

高通滤波器在无限大至截止频率范围内，其阻抗是一个与它的电阻同数量级的较低阻抗，所以高通滤波器对截止频率以上的高次谐波有很好的滤除作用。高通滤波器分为一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器，实践中二阶高通滤波器应用最为广泛。在实际应用中通常采用若干组单调谐滤波器与一组高通滤波器相互配合来滤除谐波，减小母线电压畸变率。

无源滤波器具有成本低廉、结构简单的优点，在滤除谐波的同时，还能补偿无功，提高系统功率因数，实际应用最为广泛。但是其谐振频率对元件参数依赖程度很高，只能滤除主要谐波，电容、电感参数发生漂移时会极大地影响滤波性能，性能不够稳定。

2.2有源电力滤波器

有源电力滤波器(APF)是一种可以实时监测系统中的谐波并进行实时补偿的主动型谐波滤除装置。有源电力滤波器能对频率和幅值都在变化的谐波进行动态的跟踪补偿，而且其补偿特性和系统阻抗无关，和传统的无源电力滤波器相比，是一种更加先进的滤波方法。

有源电力滤波器原理图如图2所示，其原理为：对补偿对象进行实时电流监测，提取出谐波电流，之后控制单元控制补偿装置产生一个补偿电流，这一电流和谐波电流极性相反、幅值相等，刚好可以将谐波完全抵消。这种滤波方式能够跟踪补偿频率和幅值实时变化的谐波，而且其补偿特性不受电网的影响，未来应用前景广阔。

图2　有源电力滤波器原理图

2.3混合型电力滤波器

由于高频变流器容量有限，而且其造价随容量增加而急剧增加，于是便有了PPF和APF结合的混合型电力滤波器(HAPF)。在使用中，PPF和APF按照频率分段各自完成滤波功能。由PPF滤除低次谐波，APF滤除高次谐波，或者反过来，由APF滤除低次谐波，PPF滤除高次谐波。这种方法结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，补偿容量可以做到很大，且成本较低。

3结语

谐波会造成电力系统的污染，影响电能质量，威胁电力系统安全平稳运行。制定综合动态的谐波防治措施并同时解决无功补偿问题，是电力系统当前面临的一大难题。在设计和制造非线性负载时采用较好的谐波抑制措施，能够改善整个电网的电能质量，也能减少谐波对用户电气设备的损害。而混合型电力滤波器的使用能大范围消除谐波的影响，对提高电网电能质量效果显著。

[参考文献]

[1]Wakileh George J.电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计[M].徐政，译.北京：机械工业出版社，2003.

[2] 童先立，邬辉.电力系统谐波及滤波技术[J].江西电力职业技术学院学报，2013(4) .

[3] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.