浅谈电力系统谐波的影响与治理

冯彬华

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400）

浅谈电力系统谐波的影响与治理

冯彬华

（广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400）

随着时代的发展，电力电子技术在电力系统、工业生产、生活用电设备的应用日益广泛，然而这些电力电子装置极易产生谐波，影响了电力系统的高效运行和电力计量装置的准确计量。文章对电力系统谐波产生的原因与过程及该谐波对计量装置的影响进行了论述。

电力系统；谐波治理；电力电子技术；计量装置；用电设备

1 电力系统谐波简介

在电力系统中电网中谐波可描述为：利用傅立叶级数对周期性非正弦波电量进行分解，从中分解出与电网正弦基波频率相同的分量和基波频率大于1的整数倍谐波分量。研究人员通过对谐波频率和基波频率进行比较得出了该谐波的次数和奇、偶性。在实际电网运行中，谐波不一定是整数倍的次数，经常出现非整数倍甚至是分数的谐波；谐波电压电流的相位关系，受电力系统潮流、谐波源工况、负荷变化而变化。

简而言之，电力系统谐波就是一种干扰能力，产生于电力设备的运行之中，同时又反作用于电力设备，使电能质量劣化并威胁电网和各种用电设备的安全可靠运行。供电企业要想减少谐波对电力装置的影响，则需要探究产生谐波的原理与过程，这样才能找到抑制谐波的方法，从根本上杜绝变频器谐波的产生，把注入电网的谐波量控制在国标范围内以保证电力系统的可靠安全运行。

电力系统谐波的产生原因：电力系统谐波一般伴随着电力设备的运行而产生，电力企业对电力系统谐波的产生原因进行分析在消除谐波给电力系统的影响方面具有举足轻重的作用。非线性负载的使用是谐波产生的主要源头。当非线性负载在工频电压运行时，负载的工作电流与所加的电压不成正比，就会产不同于工频的其他频率的非正弦电流，从而产生谐波。如高频炉、电解设备、电弧炉、大型轧机、整流设备等非线性用电设备是产生谐波的主要设备；这些设备在输送、转换、吸纳系统中发电机所供给的正弦基波能量的同时，又对部分正弦基波分量转换为高次谐波分量，向电网倒送谐波，使系统的正弦波发生畸变。另外，电力系统中变压器在正常运行、空载或过励磁时，所产生励磁电流都含有奇次谐波成分，由此构成了主要的稳定性谐波源。谐波按种类分为：偶次性谐波和奇次性谐波，每种谐波都有不同的频率、相角及幅值，其中奇次性谐波比偶次性谐波的危害更大。电力系统产生的谐波不是一成不变的，谐波会随着电力设备的更新而发生变化，供电企业应及时掌握谐波产生的原因，保证供电网的正常运行。

2 谐波对电力系统的影响

2.1 电力系统谐波对变压器的影响

由于在电力系统中变压器和变频器一般一起进行工作，所以变频器在运行中由于电流通过而产生的谐波会直接影响到变压器的正常工作。变压器是电力系统中的核心元件，当供电网络正常运行时，如果变压器因变频器产生的谐波而降低工作效率甚至停止工作时，将会直接导致供电网瘫痪，给供电企业造成无法挽回的损失。另外，当电流通过电力设备时，每台电力设备都会产生不同频率的谐波，这些谐波相互叠加影响，会对变压器的正常运行造成很大干扰。而且如果变压器不能稳定运行，不稳定的电流通过变频器会产生更严重的谐波，如此恶性循环，既降低了变压器的工作效率，又缩短了变压器的使用寿命，直接影响着供电企业的经济效益。

2.2 电力系统谐波对电容补偿设备的影响

在谐波作用下，对带有电容补偿的谐波阻抗会随系统的谐波频率不同而变化，系统可以为容性也可以为感性。当系统谐波频率达到某一数值时，并且系统感抗远大于容抗，电容器与系统其他设备产生因大量谐波电流而引起系统并联谐振或串联谐振，并使谐波电流放大，同时可能造成危险的谐波过电压及过电流，这往往使电容器保护熔管熔断甚至损坏电容器。谐波电流一旦被电容器放大并迭加在电容器基波电流上，流过电容器的电流有效值增大，超出其所能承受限值，导致电容器过热而烧坏，也会危及电气回路中其他设备的安全运行。

2.3 电力系统谐波对电力电缆的影响

由于集肤效应，在电力系统的运行中的谐波电流流过电缆时，电流集中在导体的表面，导致电缆实际载流面减少、电阻增加，同时谐波电流还会产生较高频率的电场，促使电缆绝缘的局部放电加剧。除此之外，电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，这种情况下使电缆的损耗增加、温升增大而发热，引起电缆介质不稳定的危险性增大，容易发生事故。

2.4 电力系统谐波的其他影响

谐波是一种电源污染，测量仪器在进行数据测量时使用的是正弦波，当存在谐波时，干扰了正弦波，影响测量仪器测量数据的准确性，并且导致继电保护和自动化装置发生误动作。对通讯系统工作产生干扰，影响通信的清晰度，使电视机、电子计算机、医疗仪器以及其他数字化电子设备的图形失真、畸变，数据处理系统出现错误。高次谐波还会直接对用电设备产生危害，加速设备老化，增加了发、供电设备运行成本、影响电气线路中的保护元件和继电保护设备误动作等。对电源质量要求较高的电子设备，遇到谐波时，将会出现程序运行错误、数据丢失，甚至导致永久性损坏。

3 谐波的防治措施

为了减少谐波对系统的影响，提升电能质量，必须采取行之有效的措施。一方面是着眼于谐波源，减少大容量非线性设备的使用；另一方面是在谐波源的外部治理。

第一，增加整流装置的脉冲数。由于多相整流产生特征谐波的谐波次数n与脉冲数p成正比，而其产生的谐波电流的平方均根值又与n成反比。可见如果要减少由于整流而产生的谐波电流可通过增加整流装置的脉冲数来实现。

第二，混合采用各种变压器的接线方式，使5次、7次谐波相互抵消。公用电网在实际运行的基本谐波主要由变压器引起，它与变压器绕组的接线方式有关。10kV配电变压器主要是采用Yyn接线或Dyn接线，而220kV、110kV的变压器二次侧绕组基本采用星形接线，其二次侧绕组采用三角形接线，从而使得整个变压器组的主要谐波电流相互叠加，如果混合采用变压器的不同接线方式，可以有效地消减电网中的基本谐波。

第三，连接串联电抗器，在用户处，对不带电抗器的电容器，应当接入与电容器串联的电抗器；已有电抗器时则要加强抗高次谐波的能力，这些都是抑制高次谐波影响的相应措施。

第四，优化系统供电与电力网的接线方式，进行适当的切换。这项措施是结合电力网的具体结构，研究的系统谐波的合理分布方式，鼓励用电客户在低谷期多用电、电网负荷高峰期少用电、移峰平谷，并使电力网不致因低谷负荷时电力网电压过于偏高，致使谐波增大。

第五，加装LC滤波器，可以就近吸收谐波所产生谐波电流。在工频工况下，滤波器作为移相电容器供给性的无功功率，同时具有改善功率因数和抑制高次谐波的作用。

4 实例分析

中山市飞马五金有限公司，利用电弧炉从事金属冶炼加工。电弧炉在工作时金属未熔化，电极与金属碎粒处于断路状态，而在熔化期间电极与液化金属构成两相电源两相短路，金属在熔化过程中，脱离电极，电弧瞬间熄灭，电源又重新处于断路状态。这一周而复始过程，引起电压频率波动。主要用电设备：#2配变，配变容量均为5000kVA，型号为S11M。谐波电流测试数据如下：

表1

谐波电流测试小结：

10kV侧5次谐波电流A相19.84A、C相19.44A均大于12.65A；7次谐波电流A相21.83A、C相22.16A均大于11.49A；9次谐波电流A相12.34A、C相11.15A均大于7.35A；11次谐波电流A相16.72A、C相17.33A均大于9.20A；23次谐波电流A相14.12A、C相13.44A均大于4.87A；25次谐波电流A相12.31A、C相12.06A均大于4.43A，故不满足国标要求。

检测结论：中山市飞马五金有限公司#2配变正常情况下运行，10kV侧5次谐波电流、7次谐波电流、9次谐波电流、11次谐波电流、23次谐波电流、25次谐波电流不满足国标要求。

4.1 治理方案

在用户进线柜并联补偿高压无功补偿装置（FC）一套，容量为：4800kVAr按无功量自动投切，三路投切，每路滤波通道容量为1600kVAr。

4.1.1 滤波补偿装置主要由以下设备构成：真空交流接触器、微型综合保护仪、滤波用电容器和电抗器组合装置、工作放电装置、10kV避雷器、控制装置、测量保护用电流互感器、户内磁管式熔断器。滤波用电容器和电抗器组合构成高通滤波可调电阻谐滤波回路，滤波电容器选用全膜介质，具有质量较高的场强、稳定性，并设有内部电阻放电电阻装置。滤波电抗器由线圈、铁芯构成，可作±5%的调幅。当有谐波注入时，在XCn＝XLn状态下，形成谐波吸收回路。

4.1.2 滤波保护装置与控制：各个滤波装置回路均是单y形连接，每个滤波回路设有速断、过流、电压保护、零序过电压保护功能。10kV系统中的各个滤波装置回路由真空交流接触器控制，可以根据负荷情况进行自动投入和退出。

4.2 补偿前后效果分析

4.2.1 现场检测数据：CT：600/5A；PT：100V。

图1

4.2.2 补偿前计算：

P＝0.62*120*100＝7440kW

S＝0.70*120*100＝8400kVA

Q＝0.32*120*100＝3840kVAr COSΦ1＝0.89

I＝485A

4.2.3 电容自动补偿后效果：

P＝0.62*120*100＝7440kW Q＝3840－2760＝1080kVAr

COSΦ2＝0.989

I＝430A

图2

4.2.4 效果分析。视在功率下降8400－7517＝960kVA；下降率10.5%；视在电流下降485－430＝55A；下降率11.4%；变压器及线路损耗下降1－[COSΦ1/ COSΦ2]2：19.2%。高压电缆因视在电流及谐波电流减小而减少发热量，同时也保证了功率因数达标。由于系统采用24脉波整流装置，5、7次谐波相互抵销，但是由于整流装置的触发角度，存在误差等原因，10kV侧仍含有少量谐波，但是满足国标要求。故此此次设计方案采用电抗率为5%的滤波通道，对5次以上谐波不会产生放大，同时具备10%左右的吸收能力。实施治理后，谐波畸变率测试，如图2所示。

5 结语

电力在21世纪的重要性已经不言而喻，变频器的应用使电力系统的运行更加安全高效，但变频器产生的谐波对电力系统具有不利影响。本文对电力系统谐波产生的原因进行了仔细分析，并分析了谐波对变压器、电容补偿设备、电力电缆的影响及治理措施。电力系统谐波对电力输送过程存在较大危害，电力企业需投入大量的人力、物力与财力消除电力系统谐波对计量装置产生的影响，提高电力系统运行的稳定性与安全性，为电力企业的健康发展打下坚实基础，进而促进我国电力行业更快更稳的发展。

（责任编辑：王 波）

TM73

1009-2374（2017）12-0153-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.079

冯彬华（1979-），男，广东中山人，广东电网有限责任公司中山供电局输配电及用电工程助理工程师，研究方向：电力系统分析。

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