供電系統(tǒng)中的諧波危害及其治理

一、概述

在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓。但在實(shí)際中供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說(shuō)的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國(guó)取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備(又稱為非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣沒(méi)備(電機(jī)、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱：使同步發(fā)電機(jī)的額定輸出功率降低，轉(zhuǎn)矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至損壞：降低繼電保護(hù)、控制、以及檢測(cè)裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無(wú)功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備以及干擾通信線路的正常工作。

供電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題已引起各界的廣泛關(guān)注，為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣，電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、和諧的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。

二、諧波產(chǎn)生的原因

在電力的生產(chǎn)，傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。

在發(fā)電環(huán)節(jié)，當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線采取一些措施后，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。

在其它幾個(gè)環(huán)節(jié)中，諧波的產(chǎn)生主要是來(lái)自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備：(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒(méi)備，如：變壓器、電抗器等；(2)以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如：氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；(3)以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備，如：各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，它們大量的用于化工、電氣鐵道，冶金，礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著的特點(diǎn)是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流，也就是說(shuō)，即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓，但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓-電流特性，使得流過(guò)電網(wǎng)的電流是非正弦波形的，這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

接入低壓供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化，如視頻顯示設(shè)備和測(cè)試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化，稱之為波動(dòng)的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。

隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

三、諧波的危害

以前由于接入供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備較小，幫在系統(tǒng)中引起的諧波電流也很小，所以對(duì)電力質(zhì)量的影響不大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件以及各類開關(guān)電源的產(chǎn)品，如電視機(jī)、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機(jī)、微波爐，信息技術(shù)設(shè)備等迅速涌入居民家庭，雖然每臺(tái)設(shè)備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但這些設(shè)備數(shù)量大、分布廣。有些家用電器如電視機(jī)、空調(diào)器等在使用時(shí)具有集中的特點(diǎn)，在某些時(shí)段會(huì)使注入到電網(wǎng)的諧波電流對(duì)公用電網(wǎng)造成的諧波問(wèn)題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無(wú)法正常工作，甚至造成故障，而且還會(huì)使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問(wèn)題得到各有關(guān)方面的高度重視。

供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1、增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備的效率和利用率。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。

(1)對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響

諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電系統(tǒng)中，用戶的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響最為顯著。由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能按發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來(lái)考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。因此，國(guó)際上一般建議在持續(xù)工作的條件下，電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過(guò)額定電壓的2%。

諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

(2)對(duì)變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)按地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

(3)對(duì)輸電線路的影響

由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應(yīng)電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導(dǎo)致中性線過(guò)載。輸電線路存在著分布的線路電感和對(duì)地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數(shù)配合條件下，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會(huì)引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以至損壞設(shè)備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對(duì)于電力電纜線路，由于電纜的對(duì)地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，因此更容易激勵(lì)出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。

(4)對(duì)電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行。

2、影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性

諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負(fù)序源)則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)(若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴(yán)重)、變電站主變的復(fù)合電壓?jiǎn)��?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3、使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確

由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費(fèi)；而與此同時(shí)，在線性負(fù)荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負(fù)荷用戶。

4、干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過(guò)的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外高壓直流(HVDC)換流站換相過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲(3-10kHz)會(huì)干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。 

5、對(duì)用電設(shè)備的影響

諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過(guò)熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來(lái)說(shuō)，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍��?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過(guò)熱而損壞。對(duì)于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。

四、抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對(duì)策

諧波問(wèn)題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問(wèn)題，它不但與供電部門有關(guān)，而且還關(guān)系到廣大電力用戶扣電器設(shè)備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，一般從管理上和技術(shù)措施上采取以下幾方面的對(duì)策： 

1、貫徹執(zhí)行有關(guān)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)諧波管理

我國(guó)于1998年12月14日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值(設(shè)備每相輸入電流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技術(shù)內(nèi)容上與該國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)完全一致。GB17625.1規(guī)定了準(zhǔn)備接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設(shè)備(每相輸入電流≤16A)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證實(shí)符合該標(biāo)準(zhǔn)限值要求的設(shè)備才能接入到配電系統(tǒng)中。這樣就可以對(duì)低壓電氣及電子產(chǎn)品注入供電系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以下四類沒(méi)備確定了諧波電流時(shí)發(fā)射限值：A類設(shè)備：平衡的三相設(shè)備以及除B、C和D類外的所有其它設(shè)備；B類設(shè)備：便攜式電動(dòng)工具；C類設(shè)備：包括調(diào)光裝置的照明設(shè)備：D類設(shè)備：輸入電流具有標(biāo)準(zhǔn)所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的設(shè)備。

該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了試驗(yàn)電路和對(duì)試驗(yàn)電源的要求、對(duì)測(cè)量設(shè)備的要求和試驗(yàn)條件等內(nèi)容。

目前，全國(guó)電磁兼容標(biāo)委會(huì)正在組織有關(guān)專家對(duì)GB17625.1進(jìn)行修訂，使該標(biāo)準(zhǔn)更加適應(yīng)市場(chǎng)的需求和操作更容易、簡(jiǎn)便。

此外，1993年頒發(fā)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標(biāo)準(zhǔn)考慮了不同諧波源疊加計(jì)算的方法，規(guī)定了各級(jí)電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對(duì)限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。

認(rèn)真貫徹執(zhí)行有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于限制諧波的規(guī)定，就能從總體上控制供電系統(tǒng)中的諧波水平，保證供電系統(tǒng)供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。 

2、增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)，k為正整數(shù))。當(dāng)脈動(dòng)數(shù)由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效的消除幅值較大的低頻項(xiàng)，(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。 

3、增裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力

在技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設(shè)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置：靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC-Static Var Compensator)或更先進(jìn)的靜止同步補(bǔ)償裝置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求、改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

4、加裝濾波裝置(包括無(wú)源濾波和有源濾波裝置)

為了減少諧波對(duì)供電系統(tǒng)的影響，最根本的思想是從產(chǎn)生諧波的源頭抓起，設(shè)法在諧波源附近防讓諧波電流的產(chǎn)生，從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法，一是被動(dòng)地防御，即在已產(chǎn)生諧波的情況下，采用傳統(tǒng)的無(wú)源濾波方法(由一組無(wú)源元件：電容器、電抗器和電阻器組成的調(diào)諧濾波裝置)，減輕諧波對(duì)電氣設(shè)備的危害。另一種方法是主動(dòng)的預(yù)防諧波電流的產(chǎn)生，即有源濾波方法。其原理是利用可關(guān)斷電力電子器件產(chǎn)生與負(fù)荷電流中的諧波分量大小相等，相位相反的電流來(lái)消除諧波。

總之，一方面要嚴(yán)格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設(shè)法提高設(shè)備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護(hù)性能，以做到真正意義上的電磁兼容。

五、結(jié)束語(yǔ)

解決供電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題，必須要供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發(fā)點(diǎn)。一方面，產(chǎn)生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設(shè)法提高設(shè)備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方面齊心協(xié)力才能搞好治理諧波這項(xiàng)系統(tǒng)工程的工作。 

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