电网谐波的产生、危害及抑制措施

《宁夏电力￣２００６年第６期　电网谐波的产生、危害及抑制措施　岳梅　（宁夏天能集团工程勘测设计有限公司，吴忠市７５１１００）　摘要：论述了电力系统中谐波的产生，危害及抑制措施，只有真正有效地抑制谐波，才能确保电力系统安　全稳定运行。　关键词：电网谐渡；危害；抑制；措施　中图分类号：ＴＭ７３２　文献标识码：　Ｂ　文章编号：１６７２—３６４３（２００６）０６—００１０—０３　Ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｅｎｃｅ，ｈａｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｇｒｉｄ　ＹＵＥＭｅｉ　（Ｎｉｎｇｘｉａ　Ｔｉａｎｎｅｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｚｈｏｎｇ７５　１　１　００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，ｈａｒｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｅ　＇ｃａｎ　ａｓｓｕｒｅ　ｓａｆｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆｅｌｅｃｔｎ．ｃ　ｓｙｓｔｅｍ，ｂｙ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｗａｖｅ　ｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｇｒｉｄ；ｈａｒｍ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ；ｍｅａｓｕｒｅｓ　１引言　２．２输配电系统产生的谐波　输配电系统中主要是电力变压器励磁电流产生谐波，　随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，电能需求　由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变　成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高。同　器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段　时随着我国冶金、化学工业及铁路交通运输事业的发展，电　上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，仅含有奇次谐波，以　力系统中的谐波问题也日趋严重。电网谐波使得电　、电流　３、５、７次谐波为主。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱　的波形发生了畸变，使电力系统的发、供、用电设备出现许　和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性　多异常现象和故障，产生了严重的危害和影响。对其进行有　越远，谐波电流也就越大。当输配电系统中存在为数众多的　效的抑制，已成为电力系统安全运行工作的重要内容之一。　变压器群时，其空载电流谐波就可以汇合成相当大的＿｝｝＿Ｉｆ波　电流并注入电网中。　２电网谐波的产生来源　２．３用电设备产生的谐波　这是最主要的谐波产生来源　下面就介绍一些能产生　２．１　电源本身产生的谐波　谐波的设备。　发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁　（１）晶闸管整流设备。由于品闸管整流在电力机车、铝　心也很难做到绝对均匀一致，以及其他一些原因，致使电枢　电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛　表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，从而产生的感应　的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移　电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离　相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的　正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也　也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的　将偏离正弦波。即产生谐波，并注入电网。　谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含　收稿日期：２００６—０４—２４　作者简介：岳梅（１９７３一），女，工程师，从事电气设计工作　・１Ｏ・　维普资讯 http://www.cqvip.com

《宁夏电力）２００６年第６期　有奇次谐波电流，其中３次谐波的含量可达基波的３Ｏ％；接　容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增　大而增大。如果整流装置为三相全控桥６脉整流器，变压器　原边及供电线路含有５次及以上奇次谐波电流，其中５次谐　波电流为基波电流的１８、５％，７次谐波电流为基波电流的　１２％；如果是１２脉冲整流器，含有１１次及以上奇次谐波电　流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近　４０％，这是最大的谐波源。　（２）变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设　备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数　次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，　随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。　（３）电弧炉。根据电弧炉的冶炼要求，在开始的熔化　期，其特征是在电极和固态原料之间形成极不稳定的电弧，　电弧电流不规则的波动，且三相电流大而不平衡，产生谐波　电流，主要是２、３、４、５、７次谐波。此外，三相电流的剧烈波　动会造成母线电压的波动和闪变。　（４）气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯　与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这　类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有　负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。　（５）家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调　温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。　在洗农机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电　流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但　数　巨大，也是谐波的主要来源之一。　３谐波对电力系统的危害　３．１增加输电线路功耗　盘Ｉ】果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会　使输电线路功耗增加。　如果输电线路是电缆，与架空线路相比，电缆线路对地　电容要大１０～２０倍，而感抗仅为其１／３　１／２，所以很容易形　成谐波谐振，造成绝缘击穿。　３．２影响电网的质量　电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸　变，并使三相交流电的对称性受到影响。如民用配电系统中　的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量　的奇次谐波，其中３次谐波的含量较多，使公用电网中性线　注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。　３－３对电力电容器的危害　电容电流　ＶＲ＂Ｃ，当电网存在高次谐波时，通过电容器　的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合　介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损　耗功率的１．３８倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功　率为无谐波时的１．４３倍，但如果谐波含量较高，超出电容器　电网谐波的产生、危害及抑制措施　允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，使电容器异常发　热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是带　有串抗的并联电容器组投入在电压已经畸变的电网中时，还　可能使电网某些次的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，　谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，电容器与线路电流在　某些次谐波形成串联谐振，使尖顶波放大，易在介质中诱发　局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介　质起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般　来说，电压每升高１０％，电容器的寿命就要缩短】／２左右。因　此，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。　３．４对电力变压器的危害　谐波使电力变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体　中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。　谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗　增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于　以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，　或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波　含量。除此之外，谐波还会导致电力变压器噪声增大。　３．５对继电保护的危害　如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大　小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值　，则可能会引　起负序保护装置的误动作，影响电力系统安伞。　３．６对电动机的危害　谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加　损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序特波在　电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反　的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。　３＋７对低压开关设备的危害　对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波　电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响　与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型　的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使　得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也　要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定　电流降低得更多。由此可知，，．　述三种配电用断路器都有可　能因谐波产生误动作。　４抑制谐波的技术措施　４．１采用交流无源滤波装置　将交流无源滤波装置装设在谐波源处（如图１所示），用　来吸收谐波源产生的谐波电流，这是防止谐波源向系统注入　谐波电流的有效而通用的措施。　交流无源滤波装置是通过ＬＥ谐振吸收电网中的谐波　电流，对固定频率的谐波能够有效抑制，但对于系统结构、　参数发生变化，或无源滤波器本身参数变化的，反而还有可　能产生谐波放大，并且对电压波动、负序等不能综合治理。　・ｌ】，　维普资讯 http://www.cqvip.com

《宁夏电力）２００６年第６期　电网谐波的产生、危害及抑制措施　有一机多能的特点。在性价比上较为合理，且滤波特性不受　系统阻抗的影响　，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。目前　在国外高低压有源滤波技术已应用到实践中，而我国还仅　应用到低压有源滤波技术。　４．４合理选择变压器额定运行磁密　电力变压器在系统中量大、分布广，变压器的励磁电流　中的谐波不可忽视。制造厂家为了减小体积、降低成本，其额　定运行磁密一般取得较高，在额定电压下已接近饱和。当系　统运行电压提高５％左右，励磁电流会增加４０％以上，造成谐　圈１交流无源滤波器　４．２采用静止无功补偿装置　对于陕速变化的谐波源（例如电弧炉、大型轧机等）除了产　生谐波外，还使供电系统的母线电压波动，并带来闪变，有的还造　成系统电压三相不平衡，严重地影响公用电网的电能质量。这种　情况应采用静ＩＥ无功补偿装置，如图２所示。主要功用如下：　图２静止无功补偿装置　（１）这种装置是由电容器与电抗器并联组成，电容器　可输出无功功率，电抗器可吸收无功功率，两者结合起来，　配合适当的调节装置，就可平滑地改变输出的无功功率，起　到补偿无功，提高功率因数的作用。　（２）通过合理设置无功补偿装置中电感Ｌ和电容Ｃ，使　它在某次频率上产生谐振，从而滤出泼频牢的谐波，即抑制　了该次ｌ皆波引起的电压波动和闪变。　４＿３采用有源滤波器（ＡＰＦ）　将有源滤波装置装设在谐波负荷处，如图３所示。图中　谐波负荷除了从系统吸取基波电流外，还向系统注入高次　谐波电流，即，＝：ｆ，），＋ｆ，）＾。如果电源电压为正弦三相平衡系　统，则有源滤波器补偿电流应与负荷高次谐波电流波形相　！要　曼：开关型逆变器跟踪　等曼璺　偿电流　！　：　苎篓．　源　量　竺　参考文献：，．　专　翌’分量　竺　害波竺流　要：：　Ｅ：血口　１故　卒　登篓　：要王基　．要　分量与谐波　３，　响应性与交　无　滤量紫　竺　供基　竺璺…一～。　，　，可自动跟踪补偿各次谐波，苎　喜曼　可抑制闪变、补偿无功，兰　　波电流急剧上升。因此降低变压器的额定运行磁密是降低系　统电压谐波水平的措施之一。降低变压器额定运行磁密会增　加制造成本，但从变压器运行角度看，可以减少空载损耗和　由谐波引起的附加损耗。降低运行费用。因此可以将两者进　行技术经济比较，以得出—个合理的变压器额定运行磁密。　４．５提高谐波源负荷的供电电压　当本级电网容纳不下谐波源负荷的谐波电流，造成电网　谐波超出标准允许值时，可考虑改由高一级电网供电，把谐波　源负荷接入容量较大的电网，可以容纳较大的谐波电流。例如，　一些用户的整流装置经数千米馈线（￣ＯｋＶ）供电，且供电母线　的短路容量较小，所以由整流装置产生的谐波干扰很大，常使　用户附近的用电设备无法正常工作，此时采用高一级电压　（３５ｋＶ）的电网给惜波源负荷供电，就能避免这些问题。　４．６避免并联电容器组对谐波的放大　并联电容器在一定条件下会产生谐波放大，所以应　根据设备情况将并联电容器组的串联电抗器进行适当　调整。例如，当仪需要限制合闸涌流时，宜选用电抗率为　０．１％　１％的电抗器；为抑制５次及以　谐波电压放大时，宜　选用电抗率为４．５％～６％的电抗器；为抑制３次及以　谐波　电压放大时，宜选用电抗率为１２％　１３％的电抗器。　５　结束语　消除供配电系统中的高次谐波对改善供电质量和确保　电力系统安全、经济运行有着非常重要的意义。除在电力系　统中大力发展高效的滤波技术外，还必须依靠设备制造商　和电力用户的努力，在设计、制造和使用非线性负载时，也　应采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网。只有供　电部门、电力用户和设备制造商一起努力，才能真正有效地　抑制谐波对电网的污染。　［’２ｌ　ｉ　　．电力网中的谐波－中国电力出版社。ｌ９９８．　４　吴竞昌－］吕润馀Ｉ电力系统高次谐波＿　ｉ电力系统谐波冰利电力出版社，中国电力出版社，ｌ９８８１．　９９８．　，：　频率和　能质量崮家标准应用手册冲国电力出版　　，