电能知识(谐波)讲座

培训目的（1）能在现场有选择性地向用户介绍谐波的产生、危害、治理。

（2）能根据用户提供的故障现象，向用户推荐公司的有关产品。

（3）在有相对准确的参数情况下，能够计算补偿或滤波总容量。

（4）根据用户对开关柜配置要求及计算得出的容量，能够进行初步报价。

（5）协助用户考虑装置的安装方式和位置。

谐波的概念和定义波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系，即出现了谐波畸变问题。

当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基本频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。

其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅立叶级数。

国际上公认的谐波定义为：“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。

”相关知识：关于工程中出现的谐波问题的描述及其性质需明确下列几个问题：（1）所谓谐波，其次数h必须为基波频率的整数倍。

（2）间谐波和次谐波。

在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非工频频率整数倍的周期性电流的波动，为延续谐波的概念，又不失其一般性，根据电流周期分解出的傅立叶级数得出的不是基波整数倍频率的分量，称为分数谐波，或称为间谐波。

频率低于工频的间谐波又称为次谐波。

供用电系统典型谐波源：系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。

当前，电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有三大类：1）铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和的特性呈现非线性。

2）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。

3）电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。

这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。

其谐波电流含量基本决定于它本身的特性和工作状况以及施加给它的电压，而与电力系统的参数关系不大，因而常被看作谐波恒流源。

一、磁饱和装置该类装置包括变压器和其他带有铁芯的电磁设备以及电机等。

它们铁芯的非线性磁化特性将引起谐波。

一般情况下电机电流的影响较小，但过励时其电流也有某种程度的畸变。

二、整流装置目前，电力系统中最重要的非线性负荷是能产生谐波电流量并具有相当容量的功率换流器。

换流器是指将电能从一种形态转变成另一种形态的电力设备，如典型的AC/DC 整流器、DC/AC逆变器以及变频设备等。

各种各样的换流器遍布于电力系统的各个电压等级。

相关知识：三相六脉动态流电路的谐波（三相不控，或三相可控，控制角α=0°时）：1）直流侧平均电压U do=1.35U1，U1——交流侧线电压的均方根值。

2）特征谐波为6k±1次（k=1，2，3，…）。

3）基波电流均方根值I1=0.78I d I d——直流侧电流的均方根值。

4）h次谐波电流均方根值I h=I1/h (h=6k±1，k=1，2，3，…)。

三、电力机车电气铁道的电力机车牵引负荷，为波动性很大的大功率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性和功率大的特点，将产生高次谐波和基波负序电流。

[电力机车的电源：110kV双电源——27.5（55）kV——电力机车采用25kV的单相工频交流电源，经全波整流后驱动直流牵引电动机]电力机车产生的特征谐波次数为，h=2k±1，k=1，2，3，…。

除h=1的基波外，特征谐波全部为奇次谐波。

电力机车的谐波经由接触网和牵引变电所的变压器注入电力系统的。

接触网应按分布参数考虑，它将影响电力机车注入电力系统的谐波含量。

随着机车所在位置的不同，影响也不同。

相关知识：1）正序性谐波：当h=3k±1（k=0，1，2，…）时，三相电压谐波的相序都与基波的相序相同，即1、4、7、10等次谐波都为正序性谐波。

2）负序性谐波：当h=3k±2时，三相电压谐波的相序都与基波的相序相反，即2、5、8、11等次谐波都为负序性谐波。

3）零序性谐波：当h=3k±3时，三相电压谐波的相序都有相同的相位，即3、6、9、12等次谐波都为零序性谐波。

与电压情况相同，电流的各次谐波同样具有不同的相序特征。

（3k±3）次谐波仅在三相四线制的低压配电网中才有较大的零序分量。

四、电弧炉由于电弧炉炼钢在技术、经济上具有优越性，因而它在炼钢工业中发展很快。

其电气原理接线图如下：根据电弧炉的容量及冶炼要求，炼钢周期约为3~8h不等。

炼钢前的0.5h为炉料的熔化时期，此阶段电弧极不稳定，因此电弧炉电流具有数值大而且不平衡、畸变和不规则波动的特点。

特别是在熔化期的初期，畸变和波动更为严重。

在后一阶段的精炼期，电弧电流比较稳定，波动大为减小。

电流的数值相对较小且比较平衡，畸变也较小。

根据对电弧炉实测电流的分析，电弧炉电流中主要含有2、3、4、5、7次谐波成分。

典型电弧炉谐波电流含有率统计结果见下表：交流电弧炉为三相不平衡的谐波电流源，冶炼过程中还有基波负序电流注入系统。

此外，三相电流的剧烈波动，还会引起公共连接点的电压波动，导致白炽灯闪烁，并对电视机、电子设备产生有害影响，即所谓的电压波动引起的闪变问题。

五、家用电器家用电器中，有不少用电器具含有非线性元件，也会有谐波电流产生。

下面介绍产生谐波对系统影响比较大的两种电子电路。

1、桥式整流电容平波电路。

典型器具为电视机。

2、电力调节电路。

典型器具为照明调光及电热调温等。

谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至引发火灾。

（2）影响各种电气设备的正常工作：谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，例如谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐振波放大，使谐波危害大大增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

计量仪表误差主要反映在电能表上。

（5）谐波对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作（人的听觉对800~1200H Z的噪声，或对16~24次谐波的噪声较为敏感）。

解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：一是装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率；二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且不消耗无功功率。

或根据需要对其功率因数进行控制。

电力滤波器就是针对思路一来补偿系统的相应谐波，使系统的电流或电压波形为正弦。

电力谐波抑制技术及主要谐波电路电力谐波的抑制或减缓措施通常可分为预防性和补偿性两种。

预防性措施包括：1）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；2）通过增加整流器的脉动数或采用可控整流来限制电力谐波的主要来源——整流器的谐波。

补偿性措施包括：1）改变馈线参数；2）采用滤波器。

一、交流滤波器电容元件与电感元件按照一定的参数配置、一定的拓扑结构连接，可形成无源滤波器，能够有效滤除某次或某些次的谐波。

理论上讲，当某次谐波滤波器调谐到该频率时，滤波器所呈现的阻抗为零，因而能够全部吸收该次谐波。

典型的无源滤波器有如下几种结构：1）单调谐滤波器，由电容与电感串联而成。

它具有与某低次谐波频率一致的谐振频率，可用来消除该低次谐波。

对应于谐调频率，电容器与电抗器的阻抗相匹配，滤波器呈纯阻性。

频率低于谐振频率时，滤波器呈容性；频率高于谐波频率时，滤波器则呈感性。

2）双调谐波器，由谐调在不同谐振频率的两组电容与电感串联而成。

对应于两种谐振频率，滤波器呈现低阻抗。

3）高通滤波器，用来滤除某高次谐波及该次频率以上的谐波。

权衡技术上和经济上的优劣性，以及生产制作和安装调试上的难易度，目前我公司所生产的无源滤波器其主要结构为单调谐滤波器和二阶减幅式高通滤波器，其典型电路如下：a.单调协滤波器发生谐振的频率为所消除的谐波次数为对于任意h次谐波，滤波器的阻抗为滤波器阻抗中的低值电阻R与滤波器的品质因数有关。

品质因数Q，为在调谐频率处感抗或容抗与电阻R的比值，公式为相关知识：Q决定了滤波器谐调的敏锐度。

Q越大，则R越小，滤波器的调谐越敏锐。

Q过大，会使被滤除谐波频率的频率过窄，当系统频率或滤波电容器、电抗器参数发生偏差时容易发生失谐；Q过小，会使滤波器的损耗增大。

品质因数的典型取值为Q=30~60。

b.二阶减幅式高通滤波器。

定义高通滤波器的截止频率为对应的截止谐波次数h0为在无限大至h0的频率范围内，高通滤波器的阻抗是一个与它的电阻R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。

对于大容量的谐波滤除工程，往往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案。

为与单调谐滤波器配合，高通滤波器的截止谐波次数应比单调谐滤波器滤除的最高滤波次数至少大1，以免高通滤波器过多地分流单调谐滤波器的谐波。

同时，截止滤波次数也不应选得过低，以免有功功率损耗增加太大。

相关知识：高通滤波器的阻抗为为了便于确定和计算，引入参数m高通滤波器的品质因数为规定当h满足时的Q值为高通滤波器的品质因数，则利用m和h0可将高通滤波器阻抗表示为相关知识：由于系统阻抗往往呈现为感性，为防止对调谐点谐波电流的放大，单调谐滤波器的调谐次数应偏离所要滤除的主要谐波的次数。

一般情况下，可选取调谐次数为所要滤除的主要谐波次数为0.96~0.98倍。

二、有源电力滤波器随着全控型功率器件技术的进步及越来越多敏感负荷对滤波效果要求的提高，有源电力滤波器开始受到人们的重视。

有源电力滤波器采用与交流滤波器完全不同的原理，通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以使谐波不会流入公共供电回路。

即实际上，有源电力滤波器实质上是一个与负荷谐波电流及基波无功电流反相位的特殊补偿电流源。

总之：有源电力滤波器采用高频脉宽调制及快速补偿技术，具有动态特性好、滤波效果不受系统参数影响、占地小等特点，已成为抑制电力系统谐波极具发展前景的措施。

滤波电抗器的现场布置方式（1）一字式；（2）二相叠式；（3）三相叠式；（4）品字式；开关柜（1）GG-1A（2）XGN（3）KYN数据采集前期数据的搜集对于技术人员在进行方案设计时具有很强的指导作用，真实可靠的数据是增强方案可行性的基础，因此这个环节至关重要，在电能质量产品的前期数据搜集过程中，需要了解的资料内容列表如下：设备选型了解到上述数据后，可现场提供初步方案：（1）若用户系统存在功率因数低的问题但不含有非线性负载，可选用我公司的补偿类设备，如TBB、GWBK、ZWBK、ZTSC等。