配电网谐波的产生和治理

马广俊 朱孟宗 王硕伟

摘要：配电网的供电可靠性直接关系到生产安全、企业经济效益和人们的日常生活，随着电动机使用变频器的增加，给配电网埋下了巨大的谐波和电磁污染，甚至造成配电设备和用电设备的损坏。因此，抓好配网的专业管理具有极其重要的意义。变频调速是20世纪以来，电气传动领域划时代的技术进步。电机合理的采用变频器驱动有一定的节能效果，变频器使得电动机控制系统调节方便、维护简单、利于优化运行，被越来越多的应用在电动机调速系统中。但是由于变频器、节电器等电子设备的特殊工作方式在给系统节能的同时，却给电网带来极大的电力谐波和电磁污染。本文从电力谐波的起因、谐波的危害及谐波的治理等几个方面进行了较为深刻的阐述。得出了一些具有指导意义的理论成果，以减少谐波对油田电网的污染，保证配电网的安全运行。

关键词：配电网；谐波的产生；危害；谐波治理；安全运行

一、电力谐波的来源

（一）换流装置产生的谐波，变频器等整流、调速设备的电源部分采用的是整流滤波原理，基本采用的是二极管整流和电容滤波电路。这种电路在电源的线电压大于电容器两端的直流电压时，整流桥中才有充电电流。因此，充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式。它具有很强的高次谐波成分。资料表明，输入电流中的5次谐波和7次谐波的谐波分量是最大的。

（二）单相全控桥式整流，理想状态下，交流侧电流为连续周期方波，只含有2K±1次谐波电流，不含直流和偶次谐波分量。

（三）三相全控桥式整流，理想的三相桥式整流交流侧电流为断续周期方波，只含有6K±1次谐波电流。由于三相全波整流不接中性线，所以三次倍数的谐波走不通，也就是零序电流走不通。但在等效三相负载的中性点对电源的中性点有较大的三次谐波电压应特别注意。

（四）换流装置的特征谐波和非特征谐波

特征谐波是指整流装置理想情况下产生的谐波。换流装置交流侧为谐波电流源，特征谐波为h=KP±1；换流装置直流侧为谐波电压源，特征谐波为h=KP。

例如：单相全波，P=2，产生1、3、5、7……次谐波；

三相半波，P=3，产生2、4、6、8……次谐波；

三相全波，P=6，产生5、7、11、13……次谐波。

可见，整流波形波头脉动数P越大，谐波次数h越高，对应的h次谐波电流值Ih越小。

非特征谐波是指控制角不等，电压、阻抗不对称等因素产生次数不定的谐波。

（五）晶闸管换流设备产生的谐波，在配电网中有相当数量的节能控制柜采用了晶闸管设备，由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间内导通，容易使配电网络电压出现凹口，波形严重失真。

（六）变频器逆变系统产生的谐波，变频器的逆变器大多采用PWM技术，当工作于开关模式且作高速切换时，产生大量耦合性噪声。因此变频器对系统内的电子、电气设备来说是一电磁干扰源。

二、谐波和电磁辐射的危害

（一）谐波对电力电容器补偿的影响，变频器供电电源按傅立叶级数可以分解为基波有功电流，基波无功电流，谐波和间谐波电流。基波无功电流占用电网容量；导致网压波动；产生热损耗；降低了配电设施运行的可靠性。供电公司对用电单位的功率因数有一定的要求，为此，在变电所采用集中电容补偿的方法来提高功率因数。在变频控制柜集中的地区，用电容器直接进行无功补偿，降低基波的无功电流，但是由于电容器对高次谐波呈现阻抗减小。电容器中的谐波电流大副增加，电容器由于超温和过压而损坏，致使供电变压器温升升高，由于低压电力补偿电容得不到及时维护，基本不能正常工作，以严重影响到电网的供电效率。

（二）谐波使用电设备效率降低。谐波使电器元件产生了谐波损耗，降低了输电、变电及用电设备的效率。谐波和谐波的集肤效应使输电线等效截面积变小，线路损耗增加；电动机、变压器都是铁磁设备，铁芯中附加高频涡流损耗；引起负载出力减小，损耗增加。谐波还会使变压器、电动机产生机械振动，产生噪音，局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏。

（三）谐波使电气仪表计量不准确。在感应电能表绕组、圆盘上产生谐波涡流使损耗增大，减小了电能表的计量。感应式电能表基本上测不到谐波能量。谐波功率也会引起数字式电能表的测量误差。目前的电压电流乘积式压频脉冲积分表不受谐波地影响，可以用于带谐波的电力电能的计量。

（四）电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制、检测等弱电信号受到干扰，严重时会使系统无法得正常工作，或使控制系统紊乱造成严重事故。通常高频电磁谐波会造成通讯错误。

（五）谐波会引起过电压。谐波的串联或并联谐振，使谐波放大甚至产生很高的过电压。将会造成整个系统谐振过电压，造成局部电网的灾难性事故，这种情况在全国各个配电网中都生过，只是现有电网运行管理人员的技术水平参差不齐，大部分人员无法解释当时的现象。

三、变频器的谐波治理方案

（一）配电网抗变频器电磁干扰的措施。对变频器增加必要的抗干扰措施，其总原则是抑制和消除干扰源、切断干扰对系统的耦合通道、降低系统对干扰信号的敏感性。具体措施在工程上可采用隔离、滤波、屏蔽、接地等方法。

（二）隔离。是指从变频柜上把干扰源和易受干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。通常是在电源和放大器电路之间的电源线上采用隔离变压器以免传导干扰，电源隔离变压器可应用噪声隔离变压器。

（三）滤波。在变频控制柜中设置滤波器，以抑制干扰信号通过电源线传导干扰到配电网及电动机。在变频器输出侧设置输出滤波器。以减少对配电网的干扰，在变频节电器输入侧设置输入滤波器，以免传导干扰。

（四）屏蔽。屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。通常变频节电器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏。输出线采用钢管屏蔽，信号线不尽要短且采用双芯屏蔽，并与主电路及控制回路完全分离，屏蔽罩必须可靠接地。

（五）接地。是抑制噪声和防止干扰的重要手段。可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系統的抗干扰能力。

（六）采用电抗器。在变频器的输入电路内串入电抗器是抑制较低谐波电流的有效方法。根据接线位置的不同，主要有两种，一是交流电抗器 串联在电源与变频器的输入侧之间。二是直流电抗器 串联在整流桥和滤波电容器之间。

另外采用无源滤波器滤波和有源滤波器滤波。

（七）移相整流滤波法，是利用变压器移相实现多相整流。由于整流电路的波头数越多产生的谐波含量就越少。因此采用变压器双二次绕组星三角接线方式形成6相全波整流技术能够很好地消除谐波和电磁危害。

结论

本文解释了电网产生谐波过电压烧毁设备的原因，进一步说明了电网进行谐波治理的紧迫性。本文中提到的变压器移相整流法原理是谐波治理和抗电磁干扰的的有效手段，具有较强的安全性、稳定性和实用性，能很好地解决了电机变频器产生的大量谐波问题，为配电网的谐波治理提供了一种可行的治理方案。此方案不仅适用于变频器，同样也适用于直流电动机调速系统。

（作者单位：胜利石油管理局有限公司电力管理分公司）