电力系统的谐波危害及解决措施

吴 云

摘要：文章介绍了非线性负载所产生的谐波危害及解决措施，重点包括产生谐波的原因、谐波危害、解决措施等。
  关键词：电力系统 谐波 危害 措施
1、前言
理想的供电应是单一恒定频率与规定幅值的稳定电压。但是随着各种新型高效、多功能用电设备的不断更新，由于这些用电设备的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，使电网电压、电流波形不同程度畸变成非正弦波。对非正弦波作傅立叶级数分辨，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波，谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。
如今广泛使用的负载大部分是非线性的，如开关电源、整流器、节能灯、计算机、尤其是变频器。这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波“污染”会对电网和用户产生严重的危害。另外，冲击性负载、波动性负载，如电弧炉、焊接设备等在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重，危害电网的安全运行。
2、谐波产生的过程
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波，如下图所示。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
3、谐波的分类与危害
（一）电力侧谐波
①、电力侧谐波主要是指由于大型电力设备，如电弧炉，整流器，变频器等产生的谐波。主要损害作用于电力传输网配电系统、变压器、电容器、断路器等电力设施。电力侧谐波次数一般为2≤n≤40(100HZ-2KHZ)电力侧谐波能量大，对设备有明显物理损害，但对控制设备干扰不大。
②、电力侧谐波的危害主要表现为：
.增加输、供电和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低输出功率，降低设备的利用率和效率,影响电网及各种电气设备的经济运行。
.谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在谐振点附近的谐振区内时，使输电线路和电力电缆过热，造成绝缘老化、击穿。
.谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。
.含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。              .大大增加了电网中发生谐波谐振的可能，谐振会导致很高的过电压或过电流，致使影响继电保护和自动装置的工作可靠性：使电力开关，断路器误动，引起严重的事故。
（二）用户侧谐波
①、用户侧谐波主要是指由于工业，商业用户的计算机，家用电器，变频空调等产生的谐波。主要作用于控制设备，如PLC，计算机精密检测仪器等。用户侧谐波次数范围一般为40≤n(2KHZ-10MHZ).用户侧谐波能量小，对设备无明显物理损害，但是严重干扰控制设备的正常工作。
②、用户侧谐波的危害主要表现为：
.对通讯系统工作产生干扰，影响网络正常工作。电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会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，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。
.使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统、程序出现错误，死机，严重甚至损害机器。
.使PLC死机，丢失数据，影响数控机床、核磁共振等精密设备的正常工作。影响雷达等设备测量精度。
此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。
很多用户的设备，如计算机，PLC，核磁共振仪等精密设备，不仅是谐波的受害者，同时也是谐波的产生源，对于谐波的保护，需要一种范围广，效果好，贴近用户设备的全面谐波保护方案。
4、谐波的治理及保护措施
治理，保护谐波，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。
（一）谐波治理及保护措施
①使用无源滤波器或有源滤波器；
.无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。主要包括单调谐波回路和高通滤波回路，安装在6KV/10KV/35KV母线侧，能够将谐波完全或大部分吸收，以维护良好的用电环境，保障电气设备的正常运行。同时还可以提高电网的功率因素，收到良好的经济效益。
.有源滤波器其主要是实时监测电网中由非线性负载产生的电流波形，分离出谐波部分，将其反相，在通过IGBT逆变器的触发将反相电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。方案见下图

②增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；
由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。
③使用无谐波污染的绿色变频器。
绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器，它能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的，实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，可在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况下，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。
变频器中的低谐波技术可归纳如下：
逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。
整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波。
  逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。
  采用新的变频调制，如电压矢量的菱形调制等。目前，许，多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解决谐波问题。
结论
  综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将非线性负载所产生的谐波控制在最小范围内，达到合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。