大功率整流装置产生的谐波对电力系统的影响

大功率整流装置产生的谐波对电力系统的影响

摘要：由于非线性负载以及电力电子器件的应用，大功率整流系统在实际运行

中必然产生大量的谐波电流，从而给功率计量与系统效率提升带来一系列影响。

这不但对电网自身重要电气设备造成重大影响，而且给广大用户带来严重的危害，甚至已经影响到企业的正常生产和产品质量。基于此，本文主要对大功率整流装

置产生的谐波对电力系统的影响进行分析探讨。

关键词：大功率；整流装置；产生谐波；电力系统；影响

1、前言

在现代诸多工业生产工艺中，如电解金属工艺、串接石墨化工艺等，采用大

功率整流装置供电已经相当普遍，即将220kV、110kV、35kV以及10kV等电压等

级的高压交流电源进线，通过调压变压器-整流变压器组降压调压，再通过可控硅或二极管整流装置为生产系统输出0～1500V电压可调、电流最高可达350kA的

直流电。这样大功率的整流装置，对当地电力电网的影响是不可忽视的。文中就

大功率整流装置产生的谐波对电力系统的各种影响和危害做出定性分类，为电力

系统和大功率整流装置用户进行谐波治理提供些许帮助。

2、谐波的不良影响

供电系统存在高次谐波造成的影响和危害是多方面的，下面从两个方面来分

别加以阐述：

2.1整流装置的负荷特性及其对电力系统的影响

2.1.1供电点的功率因数问题

大功率整流装置的投入，若负荷内部没有充足的无功补偿容量，就会从系统

吸收大量的无功功率，造成系统供电点处的功率因数下降。

2.1.2电力系统电压稳定性问题

当大功率整流装置的工况处于变化较大时，如整流变压器组的调压变压器处

于调压状态，整流装置的功率便会发生一定范围的波动。尽管这个功率波动与大

功率冲击性负荷相比对电力系统是一个微扰，但是如果上级电力系统存在无功功

率缺陷，而整流装置调压变压器的有载分接头控制又缺乏“柔性智能”的策略，即

不能在线识别系统的无功状态而单方面保持供电点处的电压水平，则势必将无功

缺额转移到供电的主电压网，从而使主网电压严重下降，甚至发展成为“电压崩溃”。

2.2整流装置的谐波特性及其对电力系统的影响

2.2.1特征谐波和非特征谐波

大功率整流负荷产生的谐波在理论上主要分布在信号频谱的高频部分，且谐

波的幅值很小。但考虑到整流装置的实际运行情况，如从整流桥的网侧向系统看，交流系统电压总不会完全平衡和没有畸变；整流变压器三相的系统阻抗不会完全

相等；因此还必须考虑其产生的相当比率的非特征谐波。

2.2.2谐波对用户的影响

1）对用户并补电容器正常投运的影响。电力系统的不少用户内部装有功率因数补偿电容器，大功率整流负荷用户自身产生的谐波有可能使其供电系统内部的中、低压电容器因谐波过负荷而不能正常投运，进而使用户从力率受奖变为力率

受罚。同时由于无功补偿电容器不能正常投运，造成用户内部电压下降，影响生产，经济效益降低。

2）对用户馈电点电动机群的影响。由于用户的内部供电系统中每个馈电点都

接有成群的电动机，故谐波允许值不宜按每台电动机承受的谐波电流而只能按接

电点的谐波电压来考虑。异步电动机的电流峰值增大时，齿部的磁饱和增大，使

漏抗减少，当存在较大谐波时，漏抗可以降低15%～20%，故对给定的谐波电压，磁饱和时谐波损耗和相应的发热比未饱和时更大，另外还使基波激磁损耗和基波

负序损耗也都比未饱和时增大。对于用逆变器馈电的调速感应电动机，一般控制

其运行电压低于电动机额定电压，以免因谐波而过于发热，但要防止发生尖刺脉

冲电压使绝缘击穿，以防止低速时发生谐频强振。

3）对用户内部自控系统及通信的干扰。现代化的工业负荷内部均配有一定规模的企业计算机网络，这种企业网就象一个神经系统，在底层控制着生产过程的

自动化，在上层支撑着企业内部的信息处理及决策过程。计算机网络的各个站点

是以各种形式的通信信道联系在一起的。电力谐波通过电磁和静电感应干扰通信。通常在语音信号频率（300～4000Hz）范围内的谐波引起通信噪音，而1000Hz以

上的谐波还会导致电话系统回路信号的误动。谐波干扰的强度取决于谐波电压、

电流、频率的大小以及输电线路和通讯线的距里、并架长度等。

4）对用户电度计量的影响。研究表明，常用的感应式电度表由于对高次谐波有负的误差，用在谐波量过大的电网里将不能计量电度。当谐波与基波潮流同方

向时，电度表要多计量，这种情况发生在畸变电压作用下对线性负荷用户（非谐

波源用户）的计量结果；当谐波与基波潮流反方向时，则向电网反送的谐波功率

会部分地抵消吸收的基波功率，此时电度表要少计电量，这种情况发生在对非线

性负荷用户（谐波源用户）的计量结果。

2.2.3谐波对电力系统的影响

特征谐波和非特征谐波电流注入电力系统后，将使系统所希望的电压、电流

的正弦波形发生畸变，造成对电力系统的诸多不利影响。

1）对并补电容器的影响。谐波对电力系统最直接的影响便是对系统变电站中并联电容器组的危害。例如当并联电容器组串联6%的电抗时，基波上相当于4

次单调谐无源滤波器，这对抑制电容器所挂接母线处的4次谐波放大是有积极作

用的，但是如果系统中的3次及其以下谐波含量过高，就很有可能对3次及其以

下谐波的放大，从而导致电容器在基波稳态时的谐波过电压和谐波过电流，危害

电容器的安全及寿命。

2）对输电线路高频保护的影响。谐波对电力系统一次部分的另外一个影响便是通过所谓“谐波助增效应”（或者称为“等效基波负序电流效应”）去干扰电力系

统中传统的（非微机型继电保护）相差高频继电保护的启动部件及通过“方波波形失真效应”去影响该保护的相差部件中复合滤波器的波形输出，从而引起保护误动、开关跳闸。这种原因导致的最直接结果便是地区电网的大面积停电，并同时威胁

到电网的安全运行。

3）对电网损耗的影响。从定性的意义上说，谐波功率完全是损耗，从而增大了网损。研究指出，若谐波电压和电流都控制在一般标准范围内，则可估计出非

线性用户注入电网的谐波功率和其用电负荷之比是在0.1%这个数量级。但若谐波

过大或发生谐波谐振，则损耗将大大增加。

4）对电力线路绝缘的影响。对架空输电线路，谐波电流通过时，可能产生串联谐振从而产生危险的高电压。对电缆线路，非正弦电压使绝缘老化加速，泄漏

电流增大；当出现高频高振幅的谐波电压分量时，可能引起放电并击穿电缆。

5）对同步发电机的影响。电力系统中的同步发电机，特别是以整流负荷为主的或以发电电压直接供给整流负荷的同步发电机，整流谐波电流引起定子特别是