电力系统中高次谐波的危害及抑制措施

电力系统中高次谐波的危害及抑制措施

摘要：电力谐波严重地污染电网，威胁着电力系统电气设备的安全。本文着重介绍了电力系统中高次谐波的危害，并提出了消除或降低电网中的高次谐波和抑制谐波的多种方法。

关键词：高次谐波危害负荷波形畸变

随着电力电子技术的飞速发展，各种新型用电设备越来越多地问世和使用，高次谐波的影响越来越严重。以前，电力系统考核电能质量的主要指标是电压的幅值和频率，现在世界各国都把电网电压正谐率极限值作为电能质量考核指标之一，正确认识谐波已成为电力工作者的重要任务之一。因此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。

1、高次谐波的危害

电网中高次谐波。将消耗电力系统中的无功功率，并导致电网电压下降、波动和畸变，大大增加了输电线路的损耗，影响电力系统中的继电保护和自动控制装置的可靠运行。

高次谐波的危害是多方面的，其主要的危害是：

1.1对电气设备绝缘的破坏

由于高次谐波的产生，使得诸如电动机、变压器等电气设备的有效电阻会因趋肤效应而增大，致使附加损耗增大，温升超过正常值，加速绝缘老化，严重影响电气设备的使用寿命。

1.2使电容器过负荷和过电流

电力电容器对高次谐波电压的反应比较灵敏，在某些频率下会产生谐振，无论发生串联谐振还是并联谐振，电容器都将流过较大的谐波电流。同时，电容器的容抗XC=1/2Hfc，与频率成反比。谐波次数越高，容抗越小，因此，高次谐波将使电容器成倍地过负荷、过电流，声音异常，甚至鼓胀或爆炸，严重地损坏电容器。

1.3产生脉动转矩

定子旋转磁场与转子不相对应的谐波电流相互作用产生脉动转矩。使电动机的转动发生一系列跳动和步进现象。

1.4导致继电器误动作

由于谐波的存在，将大大削弱差动继电器的快速动作，严重地影响供电设备、仪表装置安全、可靠地运行和正常地工作。

1.5使断路器不能良好地运行

谐波电流严重地影响断路器的断流能力，导致电流过零时di/dt值提高，使中断更加困难。

消弧线圈有助于电弧进人电弧隔板，而高次谐波的存在使消弧线圈不能很好地运行，其无效的动作延长了燃弧时间，最易导致断路器故障。

1.6严重干扰通讯系统

电力网传送的功率与通讯传输的功率相差悬殊，前者对后者产生静电感应和电磁感应。由于电力系统存在的谐波电流的零序分量与电力线路不平衡产生的基波电流的零序分量在空间产生零序磁通，使电力系统和通讯系统之间产生电磁耦合，在通讯线路上产生干扰信号，严重地破坏了通讯系统的正常工作。

对于谐波的限值标准，各国也有差异。就谐波的次数而言，低次一般取2，最高次取19、25、40、50不等，有些国家还不作限制。如西德只取5、7、11、13次作为限值的次数。美国在指标上则根据电压等级和系统分别规定了电压畸变值，英国则规定三级限制标准。自今为止，还没有国际公认的推荐标准。我国在国家标准中也规定了谐波的限值。

2、按谐波产生的主被动型选择防治与控制方式

谐波的防治和消除措施就形态分主动型和被动型。所谓主动型就是从装置的本身出发，在设计时尽量使谐波较少或不产生谐波。而在现实的应用过程中，多数都是被动型。

2.1选择合适的配电网来防控谐波

选择太短路容量的配电网，可以有效地防治谐波，这是因为电力系统属相对稳定的系统，则这种方法的应用范围是有限的。

2.2合理选择变压器组别

这种方法属于被动型。为既防治谐波,又能提高继电保护的灵敏度，电力系统终端配电变压器接线的组别选择很重要，通常都选△/YO和△，Y型。

就接线形式的应用来讲，△/YO型接线组别多应用在普通配电变压器上，低压配电网常采用YO-YO接线方式。这类接线变压器的谐波来源主要在照明设备和小功率整流变频设备，谐波中的正序、负序和零序分量组都将在副方绕组中流通，而原方绕组感应出的零序分量组谐波将在△接线方式绕组中形成环路而短接

被滤除，感应出的正序、负序分量组谐波则注入配电电网。

在△/Y型接线组别的双圈式整流变压器(较多使用的接线方式)中，低压配电网常采用y-Y型接线方式，变压器的原方和副方线电压中均不含有零序分量组谐波，但在副方相电压中含有零序分量组谐波，它影响低压侧其它单相负荷。选用△/Y0型接线组别，通过中性线的是没有价值的零序分量组谐波电流，因此整流变压器常选用△/Y型接线，它的中性点通过高阻接地或不接地。

通过以上的分析可知，合理选择变压器的接线组别，可以有效避免零序分量组谐波源流人上一级配电网中。

2.3安装滤波器或调谐电抗器防控谐波

滤波器就有源无源分两种类型，即有源滤波器和无源滤波器。它们都是设置在谐波源上或谐波电流较严重的地方。串联的电抗器的电感量，选定接近于滤波器发生某次谐波频率串联谐振时的电感量,LC滤波器在这一谐波频率处形成较低的阻抗值(接近零)，以便于吸收大部分的谐波电流。

带调谐电抗器的补偿电容器，主要用在谐波含量没有超标的配电系统中。但在谐振频率时呈感性，避免并联谐振的发生，并能吸收部分谐波电流(10％-30％)。根据国家标准，调谐电抗器电感率取值4 5％-6％(5次谐波)。电感率若取6％，也就是对应的频率为204Hz,避开了5次谐波(250Hz)的谐振。

有源滤波技术的设计基本思路是：运用电子技术提供一个在谐波频率处等效阻抗为无穷小的并联支路或等效阻抗为无穷大的串联支路，这样也就分并联型有源滤波器和串联型有源滤波器。

应该注意的是：在有谐波的电力网中，功率因数补偿应使用调谐式或滤波式补偿电容器组，而且电容器额定电压应高于电网电压。还应先分析谐波的高低，确定滤波处理方法，然后再选择合适的电抗器电感率。

2.4电缆屏蔽防止谐波干扰

它属于被动型控制。变频器所采用的变频技术都是以正弦脉宽调制技术为主(简称SPMW)，起输出电压由一系列方波组成，属于非正弦周期分量，其配电电缆中有谐波电流流过，对电缆要采取屏蔽措施，以消除谐波干扰，特别是对计算机控制电缆的干扰。Rockwell公司开发出新的屏蔽技术，就是将一般的四芯等截面电力电缆中的中性线分成三根等截面小电缆，并呈倒品字布置，截面积之和与相线截面积相等，与另三根呈品字布置的相线结合在一起，这样可以防止谐波干扰。

2.5增加整流相数抑制高次谐波干扰

这种属于主动型控制方法。根据傅立叶变换计算可知，整流器产生的高次谐