电力系统谐波问题分析及防治措施
摘要：电力谐波会增加电能损耗、降低设备寿命,威胁电力设备和用电设备安全可靠运行,并对周边的通讯等设施造成干扰。分析电网谐波的产生和影响,并及时提出谐波的综合治理办法,对于防止谐波危害、提高电能质量是十分必要的。本文概述了谐波及其产生、谐波的危害,以及谐波治理方法。
关键词：电力系统；谐波；来源；危害；治理方法 谐波的定义与来源
1、谐波的定义
国际上对谐波公认的定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。
在电力系统中，谐波分为谐波电压和谐波电流，其对系统的影响通常用“谐波含有率”和“总谐波畸变率”两个参数来衡量。具体定义如下:
谐波含有率:第h次谐波分量方均根值与基波分量方均根值之比。
HRU(h次谐波电压含有率)，HRI(h次谐波电流含有率);
总谐波畸变率:除基波外的所有谐波分量在一个周期内的方均根值与基波分量方均根值之比。
U， I;
THD(总谐波电压畸变率)，THD(总谐波电流畸变率);
谐波含有率仅反应单次谐波在总量中的比重，而总谐波畸变率则概括地反映了周期波形的非正弦畸变程度。
谐波按矢量相序又可分有正序谐波、负序谐波和零序谐波。所谓正序是指，3个对称的非正弦周期相电流或电压在时间上依次滞后120°，而负序滞后240°，零序則是同相。其特征如表1:
表1 正序谐波=3h-2，负序谐波=3h-1，零序谐波=3h。
在平衡的三相系统中，由于对称关系，不会在供电电网中产生任何偶次谐波。
谐波的定义与来源
具体来说谐波产生的原因有以下三个方面：
(1) 发电源的质量不高而产生的谐波
发电机的结构中，由于三相绕组在制作上无法做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，所以磁通密度沿空间的分布只能做到接近正弦分布，所以磁通中都有高次谐波，电势中也就有高次谐波，其中三次谐波占主要成分[2]。
(2) 输配电系统产生的谐波在输配电系统中则主要是变压器产生谐波，变压器饱和时的励磁电流只含有奇次谐波，以3次谐波最大，可达额定电流0.5%，对于三相变压器，3倍次谐波的磁通经由邮箱外壳构成闭合磁路，因而磁通中对应该次的谐波较小（单相铁芯的10%），绕组中有三角形接法时，零序性谐波电流在闭合的三角形接线中环流而不会注入电网。三相对称且有三角形绕组的变压器，器产生励磁电流注入电网谐波电流的阶次是6k1,k=1,2…由于其铁芯饱和时，磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流[3]。
(3)用电设备产生的谐波
由用电设备产生的谐波所占比例很大，是电网主要的谐波源。这些用电设备具有非线性特征，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入系统，给电网造成大量的谐波，甚至会因为参数配置问题使得局部区域产生放大。按照用电设备中非线性元件的类型，谐波源可以分为两大类[4,5]：
1)含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备。它们也是造成电力系统中谐波干扰的最主要因素。
2)含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源：这一类设备主要有旋转电机、变压器、电弧炉、交流电焊机及日光灯等。
二、谐波危害
谐波危害是广泛的，其危害主要表现在以下几个方面：
（1）对整个系统而言，谐波会降低电力系统生产、传输和使用的效率；
（2）对电气设备而言，谐波会使其过热、产生振动和噪声，甚至导致设备故障或烧毁。主要表现为:
①降低电力设备的使用效率。因谐波电流会使公用电网中的设备产生附加的谐波功耗(有功和无功)，从而使发电，输电及用电设备的有效容量及功率因数降低；
②加速电力设备绝缘老化，缩短寿命，甚至直接损坏。由于谐波的高频特性，其会产生涡流和集肤效应，从而使电机、变压器、输电线路等设备产生附加有功损耗而过热，此将加速设备绝缘的老化，缩短了寿命;对电机，谐波还会引起机械振动和噪音。除此之外，谐波还会引起无功补偿电容器与电网局部发生并联谐振和串联谐振，使谐波放大，从而导致电容器因过电流或过电压而损坏；
③零序谐波电流导致三相四线系统中的中线(零线)电流过载，从而引起导线的传导损耗增加和导线发热，甚至发生火灾;尤其在计算器房供电系统上，大量的实测数据表明，即使用户已将跨接在按三相四线制运行的大型UPS电源上的三相负载仔细均匀分配，出现在该供电系统的中在线的电流大都已达到与相线电流接近的水平，甚至是稍有超过的数量级，而不是像带电阻性三相平衡负载时，其中线电流几乎为零。此时，如果中线截面积按传统配置，设计为相线截面积的0.25~0.5倍，则很可能造成中线严重发热；
④谐波造成变压器差动保护，线路距离保护及电容器过流保护等继电保护和自动装置误动作；
⑤改变电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量；
⑥谐波对电能计量精度有影响。当供电系统含有谐波时，工频电度表对谐波电压和谐波电流产生谐波功耗的计量存在误差;此外，谐波的存在会影响电度表的磁电特性，从而导致基波计量误差；
⑦当含有谐波电流的电力线路与通信线路并行敷设时， 由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输；
⑧断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。
附表1--家用电器和办公自动化设备主要谐波电流值(相对值)
（3）对供电系统而言，谐波会引起供电电压畸变，使用电设备功率损耗增大，输电线路网损增加，最终将缩短输电线寿命；
（4）对二次设备而言，谐波可能导致继电保护、安全自动装置工作紊乱，引起保护装置误动或拒动，引起电力计量误差，干扰通信系统，造成换流装置不能正常工作。
三、电力系统中谐波的标准
1、谐波标准的共同原则和要求
(1) 把电力系统中的谐波电压控制在允许的范围内, 保证供电网供给波形合格的电力。
(2) 谐波源注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压。
(3) 防止谐波对电网发电、供电设备的干扰, 特别要防止高压电网发生谐振或谐波放大, 维护电网安全经济运行。
(4) 保证供电质量, 使接入电网的各种用电设备免受谐波的干扰, 保持正常工作。
(5) 有利于国际技术经济的交流与合作。
2、国家电谐波的标准
国家技术监督局批准颁发了国家标准GB/T 1495-93《电能质量公用电网谐波》,以促使电力部门和电力用户共同采取措施, 把电网的谐波水平控制在谐波国标允许的范围内, 提高供电质量, 维护电网安全运行, 保障接入电网的各种用电设备正常工作, 以获得良好的社会经济效益。
四、谐波的治理方法
现阶段谐波污染的主要治理方法有以下几种：
增加换流装置的相数
换流装置（整流器、逆变器）是电网主要谐波源之一。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nk±1和nk(n为整流相数或脉动数，k为正整数)。由谐波产生的机理可知，如果整流相数越大，网侧电流谐波成分将越少，电流波形将更接近于正弦波。以三相桥式整流电路为例，其整流电流中只含有n次奇次谐波，但高次谐波的幅值只有基波幅值的1/n。整流相数增加对谐波的影响减少，但会相应提高设备成本。因此,一般工程上6次或12次整流就已足够。
改变谐波源的配置或工作方式
具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当谐波量大的工作方式，可以减小谐波的影响。
3）减少非线性用电设备与电源间的电气距离
减少非线性用电设备与电源间的电气距离也就是减少系统阻抗，换句话说就是提高供电电压等级。
采用高功率因数变流器
这类电路输入电流谐波分量少，功率因数很高甚至接近1，与设置补偿装置来补偿谐波和无功比，这是一种更为积极有效的方法。其中大功率装置多采用多重化和自换相技术，中等功率装置多采用PWM整流技术，小功率装置则多采用带斩波器的二极管整流电路。
5）加装静止无功补偿装置
加装静止无功补偿装置可有效地减小波动谐波源的谐波量，并有抑制电压波动、闪变、三相不平衡和补偿功率因数的功能，具有综合的技术经济效益。静止无功补偿装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成，它能够对系统、负荷无功功率进行快速动态补偿，抑制不平衡电流产生，并滤除污染源发出的谐波。该装置被广泛用于输电系统波阻抗补偿、长距离输电的分段补偿和负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器、静止无功发生器等。
6）加装滤波装置
对变电所侧和用户侧的谐波治理，可通过有源滤波和无源滤波两种方式来实现。
无源滤波是传统的滤波方式，就是将电抗器、电容器和电阻器组成LC串联或并联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，达到滤除某一特定次数谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时对系统进行无功补偿。
有源滤波是在无源滤波的基础上发展起来的用于动态抑制谐波、补偿无功的方式，对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。下图1为有源电力滤波器的原理结构示意图。
图1
有源电力滤波器首先实时检测出负荷电流中的谐波分量，再通过电流发生器发出与大小相等的补偿电流注入电网以抵消，从而使系统侧电流仅为负荷电流的基波分量。
7）谐波的隔离
理想的对称三相电力系统中，主要存在奇次谐波，其中11、13及以上的高次谐波在输电网络中衰减较快且比重不大，故不作为主要整治对象。为了降低低次谐波经过变压器对其它级电网的影响，变压器采用特定的接线组别，对谐波进行隔离。发电机发出的电能经过Yd等接线组别的变压器，把发电机产生的3次、9次等零序分量的谐波与电网隔离开来，因此在110KV及以上的高压电网，3、9次谐波分量几乎为零。在10KV及以下的配网（大多为Y/yn0）中，推广使用D/yn11接线组别的配电变，使负荷产生的谐波电流在变压器的角型绕组中循环，而不至于流入电网。
此外，还应加强谐波管理工作，坚持谐波的监测和普查，制定严格的管理标准，使电网谐波保持在正常范围内，同时增加系统承受谐波的能力，提高电力设备抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能。
五、结语
“谐波污染”被称为电力系统内三大公害之一，要解决供电系统中的谐波问题，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，力争达到“绿色电力”的标准。
