| 供电系统中的谐波及其抑制 |
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一、概述
在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。因此，谐波是电力质量的重要指标之一。
谐波的危害表现为引起电气没备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热：使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏：降低继电保护、控制、以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。
供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注，为保证供电系统中所有的电气，电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。
二、谐波产生的原因
在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
在发电环节，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。
在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。
随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。
三、谐波的危害
以前由于接入供电系统的非线性设备较小，帮在系统中引起的谐波电流也很小，所以对电力质量的影响不大。随着电子技术的发展，使用大功率半导体开关器件以及各类开关电源的产品，如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉，信息技术设备等迅速涌入居民家庭，虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大，但这些设备数量大、分布广。有些家用电器如电视机、空调器等在使用时具有集中的特点，在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。
供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面。
1、增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。
(1)对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
(2)对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。
(3)对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。
(4)对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
2、影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。
3、使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
4、干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
5、对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
四、抑制供电系统谐波的一般对策
谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户扣电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：
1、贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理
我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技术内容上与该国际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流≤16A)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。
该标准对以下四类没备确定了谐波电流时发射限值：A类设备：平衡的三相设备以及除B、C和D类外的所有其它设备；B类设备：便携式电动工具；C类设备：包括调光装置的照明设备：D类设备：输入电流具有标准所定义的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的设备。
该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。
目前，全国电磁兼容标委会正在组织有关专家对GB17625.1进行修订，使该标准更加适应市场的需求和操作更容易、简便。
此外，1993年颁发的国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。
认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。
2、增加换流装置的相数
换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。
3、增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力
在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。
4、加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置)
为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法(由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)，减轻谐波对电气设备的危害。另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。
总之，一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼容。
五、结束语
解决供电系统中的谐波问题，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都以电磁兼容的思想为基本出发点。一方面，产生谐波的部门和单位要尽量限制谐波的发射水平；另一方面，供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波骚扰的能力。只有这样供、用、造三方面齐心协力才能搞好治理谐波这项系统工程的工作。 |
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