电力系统谐波的分析和研究

摘 要：随着电力电子技术的飞速发展，各种新型用电设备越来越多地问世和使用，高次谐波的影响越来越严重。电力系统受到谐波污染后，轻则影响系统的运行效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行。以前，电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率，现在世界各国都把电网电压正谐波形畸变率极限值作为电能质量考核指标之一，正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。

关键词：电力系统、谐波、继电保护、滤波

根据IEEE 的定义，谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。用T表示为工频周期，f 为工频频率，ω = 2πf 为相应的角频率。f（ωt）代表以T为周期的信号， 则

f（ωt） = A0 + ∑Cnsin （nωt +φn）

式中 A0 为f（ωt）的直流分量；

C1sin （ωt+ φ1）为基波分量；Cnsin （nωt + φn）为n次谐波分量

1 谐波产生的原因

在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的：

（1）可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。

（2）设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。

2 谐波对电力系统的危害

谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具体设备的危害分析如下：

（1）对大型汽輪发电机来说，若发生多次谐波振荡，谐波电流超过额定电流的25%时，由于上述原因可能会导致转子局部过热而损坏。

（2）架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。

（3）电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流，对电气设备绝缘损坏。

（4）电子计算机会由于谐波干扰发生失真；工业电子设备功能会因其被破坏。

（5）影响供电系统的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。由于不同类型继电器的设计性能和工作原理不同，谐波的影响程度也不同。感应型继电器的可动部分惯性较大，动作速度慢，谐波转矩对其影响并不严重。但是对于应用积分比相器原理构成的整流型继电保护装置（如高频相差保护和差动保护），当波形出现谐波畸变时，过零检测易于出错，从而造成保护不正确动作。微机型继电保护装置通过在硬件中采用滤波单元，在软件中采用数字滤波技术，可以削弱谐波的影响，但是对于一些采用快速算法的高速保护，谐波的存在仍然会带来一定的不利影响。

（6）谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。

（7）影响电力变压器的使用：谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。

3 电力系统抑制谐波的措施

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条。一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1。

电力系统抑制谐波的主要措施有：

（1）在补偿电容器回路中串联一组电抗器

（2）装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器

单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器，高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐频率（滤波次数）可由具体计算决定。

（3）增加整流相数

高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或36相。当采用12相整流时，高次谐波电流只约占全电流的1%，危害性大大降低

（4）静止无功补偿装置近年来获得了很大发展，其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（Fixed Capacitor + Thyristor Controlled Reactor，缩写为FC+TCR）。比SVC更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器（Static Var Generator，缩写为SVG）。SVG也是一种电力电子装置，采用PWM控制，即可使其输入电流接近正弦波。

4 结论

（1）谐波的发生影响整个电力系统的环境，如在通讯中因发生谐波噪声使通话质量下降，使控制和保护设备发生误动作以及使电力装置与系统过载，给电力系统正常运行造成危害。

（2）谐波的管理通常是制定用户公共连接点处的电压谐波含量限制标准，即制定有关标准，采取相应措施，严格控制，净化电力系统环境。

（3）在测量谐波时必须注意PT与CT的精确度，否则造成误差很大，用CT末屏分压测取系统的谐波电压具有准确、方便的优点。在超高压系统谐波电压测试中得到推广运用。

（4）通过采取有效抑制谐波措施，可以改善用户用电质量，同时，能减少谐波对电网的冲击，有效治理谐波污染，在节能减排过程中，能取得相当的社会效益。

参考文献：

[1]王兆安. 谐波问题和现状研究

[2]刘树林，刘健，寇蕾. 开关变换器的本质安全特性分析与 设计[J]. 电工技术学报，2006，21（ 5） ： 36 -41.

[3]GRODONRL，HORD H. Ignition of gases by sparks pro- duced by breaking wires at high speed [J]. Nature，1961， 191（ 16） ： 237 - 240.

作者简介：

姓名：王海山（1983.11--）；性别：男，籍贯：山东省青岛市，学历：本科，毕业于郑州大学；在读研究生，就读于山东科技大学）；现有职称：中级工程师；研究方向：电力工程技术管理；