供電系統中的諧波危害及其治理

一、概述

在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應應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)的供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦波分量，又稱(chēng)為高次諧波。在供電系統中，產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線(xiàn)性阻抗特性的電氣設備(又稱(chēng)為非線(xiàn)性負荷)供電的結果。這些非線(xiàn)性負荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標之一。

諧波的危害表現為引起電氣沒(méi)備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱：使同步發(fā)電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，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、控制、以及檢測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，功率因數降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線(xiàn)路的正常工作。

供電系統中的諧波問(wèn)題已引起各界的廣泛關(guān)注，為保證供電系統中所有的電氣，電子設備能在電磁兼容意義的基礎上進(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重后果。

二、諧波產(chǎn)生的原因

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

在發(fā)電環(huán)節，當對發(fā)電機的結構和接線(xiàn)采取一些措施后，可以認為發(fā)電機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)節中，諧波的產(chǎn)生主要是來(lái)自下列具有非線(xiàn)性特性的電氣設備：(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒(méi)備，如：變壓器、電抗器等；(2)以具有強烈非線(xiàn)性特性的電弧為工作介質(zhì)的設備，如：氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等；(3)以電力電子元件為基礎的開(kāi)關(guān)電源設備，如：各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開(kāi)關(guān)設備等，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(xiàn)性電氣設備(或稱(chēng)之為非線(xiàn)性負荷)的顯著(zhù)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(zhù)電壓同步變化的非線(xiàn)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倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類(lèi)負荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

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

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

三、諧波的危害

以前由于接入供電系統的非線(xiàn)性設備較小，幫在系統中引起的諧波電流也很小，所以對電力質(zhì)量的影響不大。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，使用大功率半導體開(kāi)關(guān)器件以及各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品，如電視機、空調器、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐，信息技術(shù)設備等迅速涌入居民家庭，雖然每臺設備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但這些設備數量大、分布廣。有些家用電器如電視機、空調器等在使用時(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)的設備無(wú)法正常工作，甚至造成故障，而且還會(huì )使供電系統中性線(xiàn)承受的電流超載，影響供電系統的電力輸送。因此諧波問(wèn)題得到各有關(guān)方面的高度重視。

供電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個(gè)方面。

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

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過(guò)導體時(shí)，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發(fā)熱嚴重。

(1)對旋轉電機的影響

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

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

(2)對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數次諧波對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；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點(diǎn)按地，而該側電網(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)對輸電線(xiàn)路的影響

由于輸電線(xiàn)路阻抗的頻率特性，線(xiàn)路電阻隨著(zhù)頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線(xiàn)路的附加損耗增加。在供應電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線(xiàn)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中的中性線(xiàn)的電流增大，導致中性線(xiàn)過(guò)載。輸電線(xiàn)路存在著(zhù)分布的線(xiàn)路電感和對地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數配合條件下，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)電流對相關(guān)設備的危害性較大。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò )諧振點(diǎn)附近的諧振區內時(shí)，會(huì )激勵電感、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 )引起繼電保護裝置出現誤動(dòng)，以至損壞設備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線(xiàn)路，由于電纜的對地電容比架空線(xiàn)路約大10-20倍，而感抗約為架空線(xiàn)路的1/2-1/3，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。

(4)對電力電容器的影響

隨著(zhù)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行。

2、影響繼電保護和自動(dòng)裝置的工作和可靠性

諧波對電力系統中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動(dòng)裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎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序源)則會(huì )引起發(fā)電機負序電流保護誤動(dòng)(若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴重)、變電站主變的復合電壓?jiǎn)��?dòng)過(guò)電流保護裝置負序電壓元件誤動(dòng)，母線(xiàn)差動(dòng)保護的負序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線(xiàn)路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動(dòng)準同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴重威脅電力系統的安全運行。

3、使測量和計量?jì)x器的指示和計量不準確

由于電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì )影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶(hù)處的電能表記錄了該用戶(hù)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；而與此同時(shí)，在線(xiàn)性負荷用戶(hù)處，電能表記錄的是該用戶(hù)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(xiàn)性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門(mén)而有利于非線(xiàn)性負荷用戶(hù)。

4、干擾通信系統的工作

電力線(xiàn)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(xiàn)的通信線(xiàn)路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線(xiàn)路通話(huà)的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話(huà)鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì )威脅通信設備和人員的安全。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裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。 

5、對用電設備的影響

諧波會(huì )使電視機、計算機的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機內的元件出現過(guò)熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動(dòng)用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來(lái)說(shuō)，會(huì )因為在一定參數的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮流器或電容器因過(guò)熱而損壞。對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、抑制供電系統諧波的一般對策

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

1、貫徹執行有關(guān)諧波的國家標準，加強諧波管理

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

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

該標準還規定了試驗電路和對試驗電源的要求、對測量設備的要求和試驗條件等內容。

目前，全國電磁兼容標委會(huì )正在組織有關(guān)專(zhuān)家對GB17625.1進(jìn)行修訂，使該標準更加適應市場(chǎng)的需求和操作更容易、簡(jiǎn)便。

此外，1993年頒發(fā)的國家標準GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶(hù)注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。

認真貫徹執行有關(guān)國家標準關(guān)于限制諧波的規定，就能從總體上控制供電系統中的諧波水平，保證供電系統供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。 

2、增加換流裝置的相數

換流裝置是供電系統的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產(chǎn)生的特征諧波次數分別為pk±1和pk(p為整流相數或脈動(dòng)數，k為正整數)。當脈動(dòng)數由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數分別為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)功補償裝置，提高供電系統承受諧波的能力

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

4、加裝濾波裝置(包括無(wú)源濾波和有源濾波裝置)

為了減少諧波對供電系統的影響，最根本的思想是從產(chǎn)生諧波的源頭抓起，設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諧濾波裝置)，減輕諧波對電氣設備的危害。另一種方法是主動(dòng)的預防諧波電流的產(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，一方面要嚴格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護性能，以做到真正意義上的電磁兼容。

五、結束語(yǔ)

解決供電系統中的諧波問(wèn)題，必須要供電部門(mén)、電力用戶(hù)和設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(mén)和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；另一方面，供電部門(mén)和電力用戶(hù)都要想方設法提高設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系統工程的工作。 

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