电网谐波及其抑制

电网谐波及其抑制

电网谐波及其抑制

㈠电网谐波的有关概念

⒈电网谐波的含义及其计算

谐波(harmonic)，是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数(Fourier series)分析所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波。而基波是指其频率与工频(50Hz)相同的分量。

向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，称为谐波源(harmonic source)。

就电力系统中的三相交流发电机发出的电压来说，可认为其波形基本上是正弦量，即电压波形中基本上无直流和谐波分量。但是由于电力系统中存在着各种各样的“谐波源”，特别是随着大型变流设备和电弧炉等的广泛应用，使得高次谐波的干扰成了当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”，亟待采取对策。

按GB/T14549-93《电能质量·公用电网谐波》规定，第h次谐波电压含有率

(HRU h)按下公式计算：

HRU h=U h / U1× 100%

式中，U h为第h次谐波电压(方均根值)；U1为基波电压(方均根值)。

第h次谐波电流含有率(HRI h)按下式计算：

HRI h=I h / I1× 100%

式中，I h为第h次谐波电流(方均根值)；I1为基波电流(方均根值)。

谐波电压总含量(U H)按下式计算：

谐波电流总含量(I H)按下式计算：

电压总谐波畸变率(THD u)按下式计算：

THD u =U H / U1× 100% 电流总谐波畸变率(THD i)按下式计算：

THD i= I H / I1× 100%

⒉谐波的产生与危害

电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在的各种非线性元件。因此，即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于非线性元件的存在，结果在电网中总有谐波电流或电压存在。产生谐波的元件很多。例如荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器和感应电炉等，都要产生谐波电流或电压。最为严重的是大型的晶闸管变流设备和大型电弧炉，他们产生的谐波电流最为突出，是造成电网谐波的主要因素。

谐波对电气设备的危害很大。谐波电流通过变压器，可使变压器的铁心损耗明显增加，从而使变压器出现过热，缩短使用寿命。谐波电流通过交流电动机，不仅会使电动机的铁心损耗明显增加，而且还要使电动机转子发生振动现象，严重影响机械加工的产品质量。谐波对电容器的影响更为突出，谐波电压加在电容器两端时，由于电容器对谐波的阻抗很小，因此电容器很容易发生过负荷甚至造成

烧毁。此外，谐波电流可使电力线路的电能损耗和电压损耗增加；使计量电能的感应式电度表计量不准确；可使电力系统发生电压谐振，从而在线路上引起过电压，有可能击穿线路设备的绝缘；还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作；并可对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰。

㈡谐波电压限值和谐波电流允许值

⒈谐波电压限值

公用电网谐波电压(相电压)限值，按GB/T14549-93规定，如下表1所示。

表1 公用电网谐波电压(相电压)限值(据GB/T14549-93)

⒉谐波电流允许值

公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应超过表2规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于表中基准短路容量时，应按下式修正表中的谐波电流允许值：

I h=(S k1 / S k2) ×I hp

式中，S k1为公共连接点的最小短路容量(MV·A)；S k2为基准短路容量(M V·A)；

I hp为表2中的第h次谐波电流允许值(A)；I h为短路容量为S k1时的第h次谐波电流允许值(A)。

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值(据GB/T14549-93)

⑴三相整流变压器采用Y，d或D，y的结线

由于3次及3的整数倍次谐波电流在三角形联结的绕组内形成环流，而星形联结的绕组内不可能产生3次及3的整数倍次谐波电流，因此采用Y，d或D，y结线的三相整流变压器，能使注入电网的谐波电流消除3次及3的整数倍次的谐波电流。又由于电力系统中的非正弦交流电压或电流通常是正、负两半波对时间轴是对称的，不含直流分量和偶次谐波分量，因材采用Y，d或D，y结线的整流变压器后，注入电网的谐波电流只有5、7、11……等次谐波。这是抑制高次谐波最基本的方法。

⑵增加整流变压器二次侧的相数

整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，其次数低的谐波被消去的也越多。例如整流相数为6相时，出现的5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%。如果整流增加到12相时，则出现的5次谐波电流将为基波电流的4.5%，7次谐波电流将为基波电流的3%，都差不多减少3倍。

由此可见，增加整流相数对高次谐波抑制的效果相当显著。

⑶使各台整流变压器二次侧互有相角差

多台相数相同的整流装置并列运行时，使其整流变压器的二次侧互有适当的相角差，与增加二次侧的相数效果相类似，也能大大减少注入电网的高次谐波。

⑷装设分流滤波器

在大容量静止“谐波源”(如大型晶闸管整流器)与电网连接处，装设分流滤波器，如图1所示，是滤波器的各组R-L-C回路分别对需要消除的5、7、11……等次谐波进行调谐，使之发生串联谐振。由于串联谐振时阻抗极小，从而使这些谐波电流被它分流吸收而不注入电网中去。

图1 装设分流滤波器吸收高次谐波⑸宜选用D，yn11联结组别的三相配电变压器

由于D，yn11联结的变压器高压绕组为三角形结线，3次及3的整数倍数的高次谐波可在其中形成环流而不注入高压电网，从而有利于抑制高次谐波。

⑹其它措施

限制电力系统中接入的变流设备及交流调压装置等的容量，或提高对大容量非线性设备的供电电压，或者将“谐波源”与不能受干扰的负荷电路从电网的结线上分开，都能有助于谐波的抑制或消除。