浅析船舶交流电网的谐波及其治理措施

冯先伟　李俊玮

摘 要：本文主要针对船舶电网谐波源及其危害进行分析，并提出谐波治理措施。

关键词：谐波；危害；测量；计算；措施

中图分类号：U665.1 文献标识码：A

Abstract： In this paper， the ship power harmonic and its harm are analyzed， and the solution for the harmonic is proposed.

Key words： Harmonic； Harm； Measure； Calculate； Solution

1 概述

船舶交流电力系统的电能质量定义：导致船舶用电设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，以及造成船舶用电设备故障或错误动作的任何其它电力问题都是电能质量问题。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外，还包括所有电压瞬变现象，如冲击脉冲、电压下降、瞬时间断等。电能质量根据电磁扰动现象可以分为：瞬变现象、短时电压变动、长时电压变动、电压不平衡、波形畸变、电压波动和闪变、工频变化等七大类。本文浅析波形畸变中的谐波的危害及其治理措施。

2 谐波的产生原因

我们通常所说的谐波，是指具有电源系统指定运行频率（简称工频，通常为50 Hz或60 Hz）整数倍的正弦电压或电流，各次谐波的幅值和相位是不随时间而变化的。其产生的根本原因是由于电力系统中的某些设备和负荷的非线性特性，即所增加的电压与产生的电流不成线性关系而造成的电流、电压波形畸变。非线性的用电设备接入电网会产生谐波电流，它注入电网后通过电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变。

3 谐波源及谐波的危害

3.1 谐波源

一切非线性的设备和负荷都是谐波源，其非线性特性主要有三类：

（1）铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和和特性呈现非线性；

（2）电子开关型：主要为各种交直流换流装置（整流器、逆变器等）、双相晶闸管、可控开关设备等。在电力系统内部，如高压直流输电系统中应用的整流阀、逆变阀等，以及在柔性输电系统中和补偿设备中采用的电力电子设备等。其非线性呈现交流波形的开关切合和换相特性。随着大功率电力电子设备的出现，现代电力系统中这类设备的数量将会迅速增加，值得我们引起重视；

（3）电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的特点和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则地波动，呈现为电弧电压与电弧电流之间的不规则、随机变化的伏安特性。

3.2 谐波的危害

谐波对电力系统中电能质量的主要危害如下：

（1）大大增加了电力系统中发生谐振的可能性，从而造成很高的过电压或过电流，引发事故的可能性增加；

（2）增加附加损耗，降低发电机、输电线路、用电设备等的利用效率；

（3）使电气设备，如旋转电机、电容器、变压器、电抗器等运转不正常，加速绝缘老化，使变压器铁芯产生磁滞伸缩和噪声、电抗器产生振动和噪声，缩短电力设备的使用寿命，增加设备维护费用；

（4）使继电保护、自动装置、计算机系统，以及许多用电设备运转不正常或不能正常动作；

（5）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；

（6）干扰通信系统，降低信号的传输质量，使通信线路、信息线路产生噪声甚至造成故障。

交流电气设备应能在供电电源的电压谐波成分不大于 8% 的情况下正常工作。当电源的谐波成分可能大于 8% 时，应注意设备选择以保证其正常工作。

4 谐波测量

电网谐波问题的分析研究和日常监管是建立在谐波测量基础上的，而谐波数据的取得必须借助于有效的测量仪器。谐波电压（电流）测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时间段进行；当测量点附近安装有电容器组时，应在电容器组的各种运行方式下进行测量；测量的谐波次数一般为第2次到第19次，根据谐波源的特点或测试分析结果可以适当变动谐波测量次数的范围；对于负荷变化快的谐波源，测量的间隔时间不大于2分钟，测量次数一般不少于30次；对于负荷变化慢的谐波源，测量的间隔和持续时间不作规定。为了区别暂态现象的谐波，对负荷变化快的谐波每次测量结果可为3秒内所测值的平均值。

谐波测量的数据应取测量时段内各相实测值的95%概率值（舍弃实测值前面5%的大值）中最大的一相谐波电流值，作为判断谐波是否超过允许值的依据。

5 谐波计算

对于稳态谐波，我们通常用各次谐波分量幅值、相位角的频谱和各次谐波含有率来描述其波形畸变水平，也可以用总谐波畸变率作为测量信号谐波畸变的度量标准。

6 谐波治理措施

（1）增加换流装置的脉动数：改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器，可以有效地减少谐波含量，但换流装置容量要相等；

（2）加装交流滤波装置：在谐波源附近安装若干单调谐或高通滤波支路以吸收谐波电流，可有效地减少谐波含量，但应同时考虑无功补偿和电压调整效应；

（3）改变谐波源的配置或工作方式：具有谐波互补性的设备应集中布置，否则应分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式可以减少谐波的影响，但对装置的配置或工作方式有一定的要求；

（4）加装串联电抗器：在设备电源进线处加串联电抗器以增大和系统的电气距离，可减少和系统的谐波相互影响，但应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应；

（5）改善三相不平衡：从电源电压、线路阻抗、负荷特性等找出三相不平衡原因加以消除，可有效地减少3次谐波的产生，有利于设备的正常用电减少损耗；

（6）加装静止无功补偿装置：可有效地减少谐波源的谐波含量，有抑制电压波动、闪变、三相不对称和无功补偿的功能，但一次性投资较大；

（7）避免电力电容器组对谐波的放大：改变电容器组串联电抗器的参数，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限制电容器组的投入容量，可有效地减少电容器组对谐波的放大并保证电容器组安全运行；

（8）提高设备或装置抗谐波干扰能力：改进设备或装置性能，对谐波敏感设备或装置采用灵敏的保护装置；

（9）采用无源滤波器抑制滤波的措施：无源滤波器主要由电抗器、电容器构成，体积比较大。目前国内的谐波治理以无源滤波器为主，其特点是技术实现相对简单，具有一定消谐效果，但缺点是体积比较大；

（10）采用有源滤波器抑制滤波的措施：源滤波器是利用电力电子技术来监控非线性负载，并动态地纠正，发现一个谐波自动注入一个补偿电流使波形恢复，通过注入和抵消过程恢复正弦波，使失真减少到不足5%。其特点是可主动消谐、设备体积小、消谐效果非常理想，但技术要求较高、价格较昂贵。

上述治理措施的选择，要根据谐波达标的水平、效果、经济性和技术成熟度等进行综合比较后確定。

7 结束语

船舶电网谐波的治理涉及众多的电气设备，治理难度较大，本文仅浅析了电能质量中的谐波及其治理措施，希望对船舶电网谐波的治理起到一定的启示作用。

参考文献

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交通电子出版社， 2011.

[2]工业与民用配电设计手册（第三版 ）.[M]中国电力出版社， 2005.

[3]中国船级社.钢质海船入级规范2015第4分册[S].