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浅谈电力系统谐波危害及其抑制

作者：盛仕昌日期：2015-02-02 10:01 来源：《电子制作》

海南电网有限责任公司海南海口 570203

【文章摘要】
本文介绍了电力系统中谐波问题的由来、谐波的含义、谐波的分类，以及谐波给电力系统带来的各种危害。其中主要阐述了波形畸变的概念和电力系统中各类谐波源给系统带来的危害。最后简单介绍了滤除谐波的两类滤波器。
【关键词】
电力系统；谐波；谐波源；滤波
0 概述
众所周知，衡量电能质量的三要素是电压频率，电压大小，波形。频率直接关系到我们电力用户旋转电机的转速，这会影响到车床或是其他一些旋转加工电器生产产品的质量和精度。而频率主要是靠电力系统中有功调节来进行控制。电压则更是关乎到我们电力用户电器设备的使用状况和使用寿命，例如过低的电压无法使我们的日光灯管点亮也会使白炽灯变得非常昏暗。电热设备的效率和使用寿命也会深受电压大小的影响。电压的调节主要靠电力系统无功的控制来实现。今天在这里我们主要谈论电力系统波形畸变产生的危害及其抑制。
1 理想电力系统电能形态（输送功率）的特点
理想电力系统应该以单一频率( 工频中国和欧洲50Hz、北美60Hz）、单一波形（正余弦函数sin，cos），若干电压等级（高、中、低压等）的电能形态运行。由于系统电路元件的线性特性所决定，其中以单一波形，即期望的正弦函数形式为最优。研究表明，当我们让电压、电流为同样波形、同频同相位进行功率传输时效率可以达到最高，这也是电力产品生产、输送、转换所追求的最佳电能形态。
2 谐波问题的提出
在现代电力供电系统中，我们已经不能单单满足于传统的电能形态的应用（单一频率，正弦波形）。例如在电源和用电设备间实现功率控制，频率控制，如变频调速，高频开关、各类逆变器和整流器的应用等等。这些都会大量应用电力电子元件，而所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使得一些公共节点产生电压畸变和大量电磁干扰。并且随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置潜在的负作用会日益突出。电力谐波及其危害已成为现代电力系统的一大重要问题，甚至已经把它列入环境污染的范畴。
3 波形畸变的基本概念
(1) 波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，也就是流过它的电流与其加上的电压不成正比。图3-1 给出了在一个简单的非线性电阻上施加正弦电压的例子，非线性元件上所加的电压和电流呈现非线性的变化。虽然该元件所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流却是非正弦的，这便是波形畸变的产生。当电压大量增加时电流有可能不做增加，也可能电压小量增加时电流却很大增加。其中3-1 （3）中给出了非线性电阻的伏安特性曲线。
那么，什么是谐波呢？我们公认的谐波定义为：谐波是一个周期性连且续变化变量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在我国电力系统基准频率为50Hz，那么基波也就为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz 以此类推。
(2) 在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数：
—— 工频（即基波）的角频率， rad/s ； h—— 谐波次数；
—— 分别为第h 次谐波电压和电流的有效值，V，A ；
—— 分别为第h 次谐波电压和电流的初相角，rad ；
M—— 所考虑的谐波的最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定。
可以看出傅里叶分解为我们将周期性的非正弦量分解成周期性的正弦量提供了很好的解决办法。
4 电力系统中的典型谐波源
对于电力系统中的谐波源，我们根据其特性将其分为三大类：a、铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。b、电子开关型：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。这也是我们当代城市供电系统中的主要谐波源。c、电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。
随着工业的发展，谐波的来源也不断变化。从曾经传统电力系统中的电力变压器到如今的大功率电力电子器件。一般而言非线性负荷的内阻远大于电力系统的内阻，所以我们可以将非线性负荷看作是理想的谐波电流源。
下面是日本电器协会对某个地区的电力用户做过一份谐波源调查报告，报告中涉及了楼宇、公共事业、铁路、冶金、机械制造/ 建材、化学/ 造纸各个行业，并且对行业的电力用户还进行了分类，分为整流装置、电力调整装置、电弧炉、办公及家用电器、无谐波源用户。
结果显示：楼宇（指建筑物、其谐波由办公、家电和照明电源等产生）约占40.6% ；铁路和冶金行业约分别占17.2% 和15.1% ；这三个行业共占72.9%，可见电力电子器件已经成为当代电力系统的主要谐波源。
5 电力谐波的影响及其危害
5.1 对变压器而言
出于对经济性考虑，变压器所使用的铁磁性材料基本是在在接近非线性或就在非线性区域运行（即在饱和区运行）。即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含各次谐波（以3 次谐波为主）。而变压器在基波频率时的损耗最小，其附加发热受电压、电流的畸变影响较大。当负荷电流产生畸变，即有谐波电流时变压器的损耗主要包括两个方面。
a 有效值电流等于基波电流值和各次谐波电流值平方之和，而基波的电流值是由变压器额定容量决定的，所以当谐波电流存在时，有效值电流相当于是增大。也就产生了附加的损耗。
b 涡流损耗, 涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。感应电流流经绕组、铁芯以及变压器磁场环绕的其它导体时，会产生附加发热。这部分损耗与电流频率平方成正比关系，而谐波的频率又是几波频率的整数倍。因此，该损耗是变压器谐波发热损耗的重要组成部分。
5.2 对于旋转电机而言
通常旋转电机是受电压畸变影响较大的电力设备。发生在电机末端的电压畸变，在电机里表现为各种频率不一的谐波磁链。它将以与转子同步频率不同的频率旋转，这其中将产生负序旋转磁场，也就是反的旋转转矩，将引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声，对于电机的寿命也是百害无一利的。
5.3 对于通信设备而言
用户设备中的谐波电流，将对通迅线路产生干扰。谐波电流在相应并联导线中感应的电压频率通常在音频范围内。在三相四线系统中三倍频谐波（3 次、9 次、15 次）最容易引起问题。因为这些谐波在三相中相位相同，它们在中线直接相加，从而对通讯线路产生很大的干扰。总之谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
5.4 对于供电企业而言
谐波将会使得我们的模拟式仪表或是电子式仪表出现测量误差，也即是电能计量不能反映真实的电力平衡，从而导致供电部门和线性电力用户受到经济损失。这也是为什么供电企业将会对既产生大量谐波而又不及时进行治理的用户实施罚款。
5.5 对于继电保护和自动装置而言
供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。
5.6 谐波引起的功率损耗
谐波电流在电力系统中的流动会引起功率损耗，他们都是由非线性原件吸收了电网基波能量之后而转换来的。而这些谐波的流动并不能给我们用户带来好处，它不仅会干扰通讯，注入电机后还会影响电机寿命，增加变压器附加损耗还会给我们供电企业带来不小的线损。
6 浅谈电力谐波的抑制
6.1 电力谐波的抑制或减缓措施通常可分为预防性措施和补偿性措施
预防性措施主要包括：供电设备如电容器、变压器、发电机等在设计、制造配置等方面采取减少谐波的措施，也就是在工艺方面来减小产生谐波的可能性。
补偿性措施包括：a 滤波器的使用； b 改变馈线参数或者是改变电容器的安装位置来减小谐振等。
6.2 单调谐滤波器的基本原理
阻抗频率特性为：
谐振频率为：
谐振次数为：
品质因数为：
单调谐滤波器由电容与电感串联而成，其谐振频率与某低次谐波一致，用来消除该低次谐波。对应于调谐频率，电容器与电抗器的阻抗匹配，滤波器呈纯阻性。频率低于谐振频率时，滤波器呈容性，频率高于谐振频率时，滤波器则呈现感性。
6.3 二阶高通滤波器原理
二阶减幅滤波器是在实际工程中最广泛应用的高通滤波器，高通滤波器在无限大至截止频率范围内，其阻抗是一个与它的电阻同数量级的低阻抗，从而使得高通滤波器对截止频率以上的高次谐波形成一个公共的电流通路，有效滤除这些谐波。
在简单的电力系统中，我们通常采用若干组单调谐滤波器与一组（或多组）高通滤波器配合使用的方来滤除谐波已达到使得母线节点的电压畸变率和注入的各次谐波电流量达到系统允许值。
7 结论
电网谐波造成电网污染，严重影响电能质量, 威胁电网的安全运行，增加了电能损耗，情况日趋严重。应引起足够的重视，关键是尽快制订完善的法规, 才能长期坚持对谐波进行有效的治理，保障电力系统的安全运行，降低电能损耗，提高企业的经济效益。
【参考文献】
[1] 宋文南电力系统谐波分析1995- 11-1
[2] 邱关源电路( 上册) [M] 北京: 人民教育出版社,1982
【作者简介】
盛仕昌（１９８７－０７），性别：男，籍贯：贵州省贵阳市，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：电力系统继电保护。