电网谐波的产生、危害及消除

浅析电网谐波的产生、危害及消除

[摘要]当今，谐波是损害电能质量的重要因素之一，对大部分设备的正常工作影响甚大，所以，谐波治理工作越来越受到关注。本文首先对电网谐波的产生及危害情况进行阐述，文章主要分析了电网谐波消除措施及优缺点，重点结合实例阐明磁通补偿型零序滤波装置的优良效果。

[关键词]配电网；谐波污染；滤波

中图分类号：tm231.7 文献标识码：a 文章编号：1009-914x （2013）14-0260-02

当今，很多电力电子装置中都配有整流装置。逆变器、直流斩波器所需的直流电源主要来自整流电路，常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源。各类开关电源、变频器、荧光灯的用量越来越多，使电源的谐波污染日益突出，谐波电压和谐波电流引起电源波形的严重畸变，影响供电质量。低压电容器无功补偿装置上还可能由于谐波的放大，产生并联电容器的损坏或谐波事故，因此对电网的谐波治理和无功补偿装置的改进是当前电力系统中亟待解决的重要问题。

1 谐波的产生和危害

1.1 谐波的产生

电网谐波的产生主要有以下三个方面的原因：

第一，由电源产生。供电装置也就是发动机，实际情况下，三相绕组的对称性以及铁心的均匀程度都无法做到理想化，是产生谐波

的一个因素。

第二，由配电系统产生。这里主要指的是电力变压器，因为为了追求设计时的经济性，电力变压器的磁通密度一半被控制在磁化曲线近饱和段的水平，夹杂不少3次谐波，谐波含量与饱和程度成正比。

第三，由用电设备产生。这是最主要的因素，大部分谐波产生于此。一般用电设备中的谐波源有晶闸管整流装置；变频设备；家用电器。

此外，工业现场和民用建筑通常会采用三相四线制供电方式。自动化设备、变频空调等家用电器、照明电源及不间断电源等等设备均会在电网中产生零序谐波电流，总量很大。

1.2 谐波的危害

电网谐波的危害也是主要有三个方面：

第一，危害供配电线路。电网系统中电力线路和电力变压器通常装有电磁式继电器和感应式继电器做保护，而谐波对此类保护装置的影响较为明显，容易导致误动作情况的发生，降低了系统的稳定性和可靠性。并且电网的电压质量会因谐波的干扰而下降，即谐波在系统阻抗上产生的电压会和供电电压叠加，导致供电电压出现畸变，并且对其他用户的电力设备产生干扰。另外，谐波电流与各次谐波电压形成的各种有功及无功谐波，浪费了电力系统中大量的容量。

第二，危害电力设备。电力谐波有可能引起系统阻抗和补偿电容

产生谐振情况，导致过电流及过负荷在电容器中出现，不仅会降低电容器的寿命，还会有导致其爆炸的危险。而且谐波会加大变压器铜损耗、铁芯中涡流损耗及杂散损耗，提高可听噪声，加重加重线路的集肤效应，引起导体交流电阻的变大。

第三，干扰电力测量设备。当前，电力测量仪表通常会含有不少感应器，这些元件对谐波敏感。如感应型电能表，在谐波明显的情况下，根本无法得到准确的测量数据。

另外，在工业和民用建筑的三相四线制供电方式中，由于谐波总量庞大，故总体上造成的危害非常明显。零序谐波电流，尤其是3次谐波电流会出现在中线上相互叠加的现象，导致该位置谐波污染情况甚重。污染原理主要有两个方面：一是明显增大中线电流，远超过设计值造成危害，二是增加公用配电变压器噪声及有功损耗，提高了故障隐患。

2 消除谐波的方法

1）采用基于电力电容器、电抗器和电阻组合的传统无源调谐滤波器进行补偿。

2）利用三相三桥臂或三相四桥臂的有源电力滤波器对电网中的零序及其他次谐波进行统一补偿。

3）利用变压器的三角形绕组对零序谐波电流提供低阻通路，使得零序谐波电流不能进入系统高压侧。

3 消除谐波方法的优劣

电力系统谐波抑制最常用到的就是无源滤波器，因为无源滤波器

具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。但同时滤除谐波是通过电感和电容的谐振原理来为谐波电流提供低

阻通路进行的，因此难以避免一些不足，主要包括：滤波特性对系统参数敏感，较不稳定；滤波针对性强，在消除目标谐波的同时却可能加重另外一次谐波的影响；很难协调滤波、无功补偿及调压三者之间的关系；电容器肯能会因谐波电流上升而过负荷爆炸；介质老化也会导致滤波器失谐；占地面积大，耗材多。

无缘滤波方式中无缘电力滤波器尽管对非零序谐波有良好的滤

除效果，但却难以对零序谐波有良好的滤除作用。尤其是最具影响力的3次谐波，因其次数与工频相近，难以满足应用要求。此外，有缘滤波方案可通过可控的功率半导体器件注入和原有谐波电流

幅值相同、相位恰好相反的电流到电网中，达到与电流谐波相互抵消的目的，即补偿谐波电流。有源滤波器（apf）可控性高、响应快，自适应能力强，能够达到动态补偿的效果，能够同时补偿不断变化的谐波以及无功，效果好，且能够有效避免电网参数的干扰；在避免谐振及谐波放大方面均具有独特优势。但虽然apf优势很大，但基于其技术含量高导致成本过高，其应用的广泛程度远不如无源滤波器，且难以撼动无源滤波器的市场地位。

4 磁通补偿型零序滤波装置

通常零序电流流通于系统中性线中，包括负载不平衡的基波电流、3次、9次、15次等3倍频次谐波电流。不同于三相正序、负序电流在中性线互相抵消机理，零序电流由于三相大小相等、相位

相同在中性线上表现为叠加的效果。该电容拓扑零序滤波器是针对零序电流的特点的设计的，利用特殊磁路结构和绕组接线，于电源和负载间建立一个零序低阻通道，注入不平衡基波、3倍频高次谐波电流等零序电流，防止零序电流注入系统回路，一达到有效控制谐波的目的。滤波器原理拓扑原理图参见图1所示，其相应的电路接线及矢量图参见图2所示。

5.1 测试结果

由谐波电流测量分析结果知，该配电变压器负荷的三相不平衡较严重和零序谐波的含量较高；安装滤波器后，对配电变压器的谐波电流测量结果再次说明了负荷的不平衡程度较严重，零序谐波的含量较高；安装滤波器后配电变压器的母线电流不平衡问题得到改善，零序谐波电流含量明显减小；投入滤波器后基波不平衡电流约降到原来的1/6，3次谐波电流约降到原来的1/3，9次谐波电流约降到原来的1/5。

5.2 效果

可明显降低系统侧中线中的零序谐波电流；有效降低配电变压器的噪声和有功损耗；有效改善三相不平衡问题，降低中线温升，提高供电可靠性。

6 结论

本文重点阐述磁通补偿零序滤波电抗器，该装置不含电容，因此在应用过程中能够有效避免谐振及谐波放大情况的发生，具有诸多优点。实验结果也说明，该滤波器能够大大提高配电网的供电质量