电力网络谐波的危害和治理措施
2017-07-31周栾爱
周栾爱
(青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404)
电力网络谐波的危害和治理措施
周栾爱
(青岛港湾职业技术学院，山东 青岛 266404)
阐述了电力网络谐波的研究现状，介绍了谐波在电力网络中存在的问题，指出了非线性负载是主要谐波源，分析了谐波对电力用户的危害性，并提出了多种谐波治理措施，为实际生产解决谐波问题提供了方法。
电力网络；谐波；危害性；治理措施
0 电力网络谐波研究现状介绍
上个世纪二三十年代，德国科研人员发现静止变流器会导致电压电流的变化，提出了电力网络谐波的概念。随着经济和技术的发展，各种先进的电力电子装置得到广泛应用，谐波问题就愈显突出，科研人员越来越重视对谐波治理和抑制的研究。
我国自上世纪80年代开始研究谐波问题，经过多年的努力，现已接近国际水平。国家技术监督局于1993年颁布了GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》，给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值；GB 17625.1—1998《低压电气电子设备发出的谐波电流限值》规定了电气(电子)设备送出的谐波电流限值。
1 电力网络的谐波
在电力系统中，发电、输电、变电、用电等各个环节都可能产生谐波。一般在发电环节对发电机的接线进行改进，可使发电机发出的电压基本上不含谐波分量。
1.1 谐波的分类
在电力网络中，谐波一般分为：稳定的谐波和变化的谐波。
1.1.1 稳定的谐波
由视频设备和常用仪表等产生的谐波称为稳定的谐波，其大小不随着时间的变化而变化。
1.1.2 变化的谐波
由现代电力电子设备产生的谐波称为变化的谐波，其大小随着时间的变化而变化。
1.2 主要谐波源
在电力网络中，谐波常由非线性负载产生。
1.2.1 非线性负载的类型
非线性负载是电力网络的主要谐波源，主要有：(1) 变压器、电动机、发电机、工业电炉等；(2) 在生产中应用的电力电子装置、电源、晶闸管设备等。其中，晶闸管设备包括整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备；交流变直流的整流器用于直流电机驱动、直流稳压电源、充电器、高压直流输电等。
1.2.2 非线性负载的特点
非线性负载的特点是加到非线性负载上的电压呈正弦交变，但流过的电流却是非正弦量。这是因为此电流由工频电流和谐波电流组成，如果谐波含量太高，就会使电网电压波形发生畸变。
1.3 不同行业的谐波含量分布
不同行业的谐波含量分布如表1所示。
表1 不同行业的谐波含量分布
目前，供电线路上的主要谐波源是现代电力电子设备，其谐波含量较高。
2 电力网络谐波的危害
2.1 增大设备的有功功率损耗
谐波的危害体现在发电、输电、供电和用电设备的有功功率损耗增大，会导致设备过热，降低设备的输出功率。
2.1.1 增大电机损耗
电网电源存在高次谐波分量时，导体的等值阻抗增大，电机的有功功率损耗也会增大。
2.1.2 增大变压器损耗
电网存在谐波时，变压器作“△”连接时，谐波会在变压器线圈中形成环流，导致变压器有功功率损耗显著增大；变压器作“Y”连接时，在谐振的情况下，负载等效于高阻抗，导致变压器的铁损和铜损增大。
2.1.3 增大输电线路损耗
对输电线路而言，谐波会大大增加输电线路的有功损耗。当电路中存在电感和电容时，某一频率下，电路会发生串联谐振或并联谐振；当线路等值电路中存在分布电感和对地电容时，在谐波源作用下，电路发生谐振的可能性增大。在架空线路中，架空线路对地电容约为电缆线路对地电容的1/20—1/10，因此电缆线路容易出现谐波谐振和谐波电流放大，造成电气设备的绝缘击穿。
2.2 引起继电保护和自动装置的误动作
为了保证设备的灵敏度，电力系统的继电保护和安全自动装置设计的整定值较小，有的动作值是以负序(基波)量为基础设计的，对谐波十分敏感。因此，谐波对继电保护和自动装置的影响就会比较严重，有可能引起继电保护和自动装置的误动作。
2.3 增大计量仪器的计量误差
当电力网络中含有谐波分量时，感应式电度表就不能正常工作(电度表是按工频电流设计)。谐波源用户会少交电费，电表计量的是：用户消耗的基波电能-谐波电能；无谐波源用户会多交电费，电表计量的是：用户消耗的电能+谐波电能。
2.4 影响通信线路的正常工作
输电线路上流过有效值较高的低频谐波电流(奇数次)，发生电磁感应现象，会在靠近输电线路的通信线路中产生干扰电压，造成通信线路不能正常工作，影响通话的清晰度。
2.5 干扰用电设备的正常工作
谐波会导致变形的图像出现在电视机屏幕上，造成计算机图像畸变，屏幕亮度改变，还会导致电视机、电脑过热和计算机数据处理系统出错。
3 电力网络谐波治理措施
目前，电力网络谐波的治理措施主要有3种：
(1) 受端治理，即增强无谐波源用户的抗干扰能力；
(2) 主动治理，即抑制谐波源，使其尽量不产生或少产生谐波；
(3) 被动治理，即在用户侧安装滤波器，将谐波电流拒之门外。
3.1 受端治理
3.1.1 使用较大短路容量的变压器
在配电网络中，使用较大短路容量的变压器。当网络变压器短路容量大于谐波源的变压器的容量20倍时，谐波源产生的谐波对电力网的安全运行就不会产生威胁，谐波电压和谐波电流也不会超过规定值。
3.1.2 避免电容器放大谐波
(1) 选择合适的电容器安装地点，可有效避免电容器与电源感抗之间并联谐振的产生，因为电容器安装地点与电源间的阻抗不同，谐振频率也会不一样。
(2) 调整与电容器相串联的电抗器，改变系统阻抗。
(3) 降低电容器的容量，以降低对谐波电流的影响。
(4) 将某些电容器组改为滤波器。
3.1.3 抑制变压器谐波
(1) 变压器某侧作“△”连接，不会出现3次及3的倍数次谐波。
(2) 空载变压器要及时停运，选用带负荷调压器，尽量避免变压器过励磁。
3.1.4 采用先进的抗谐波装置
采用先进的抗谐波装置，提高用电设备的抗谐波干扰能力，使其在一定谐波环境下也能正常工作，不受影响。
3.2 主动治理
3.2.1 增加整流装置脉动数
其中：h为整流装置产生的谐波电流次数；p为脉动次数。
由式(1)可知：当脉动次数增加时，谐波电流次数也增大。因此，增加整流装置脉动数，可以消除一些次数较低、幅值较大的谐波。
3.2.2 关注产生谐波的装置设备和生产方式
适当分散或交替使用具有谐波互补性的装置设备，适当限制能产生大量谐波的工作方式。
3.2.3 联合使用多个变流器
联合使用多个变流器，叠加多个变流器输出的方波，可消除频率较低的谐波，使输出的波形接近于正弦波。
3.2.4 叠加注入谐波
将谐波源产生3的倍数次谐波与矩形波相叠加，可以抵消某些谐波。
3.3 被动治理
3.3.1 采用LC滤波器
LC滤波器是由电容、电感和电阻按照一定比例配置而成的，具有结构简单、用户投入少、运行维护费用低的优点，是目前应用最广泛的滤波方法。
3.3.2 采用有源滤波器
有源滤波器可补偿谐波，实现动态跟踪功能，还可以补偿无功功率，在生产中已被广泛应用，具有较好的前景。
4 结束语
电力网络要安全稳定运行，首先要保证用户的电能质量不受谐波干扰。但现代电子技术的发展和电子设备的广泛应用，给电力网络带来越来越严重的谐波污染。根据谐波研究现状，介绍了电力网络谐波源及其谐波的危害性，提出了谐波治理措施，为实际生产解决谐波问题提供了方法，具有一定的实用推广价值。
2016-11-29。
周栾爱(1973—)，女，维修电工技师、讲师，主要从事电力系统及自动化研究，email：zhouluanai@126.com。
