浅谈谐波的危害及对谐波污染的治理

浅谈谐波的危害及对谐波污染的治理

摘要：本文作者通过对电力系统谐波的危害进行分析和阐述，幷说明谐波污染治理的重要性及可行性，可供同行借鉴参考！

关键词：电力系统；谐波的危害；治理；

1 引言

谐波实际上是一种干扰，注入公用电网就会使电网受到“污染”，高次谐波还会直接对用电设备产生危害，造成电缆电线过热，绝缘老化加速，线间短路和接地故障，供电系统损耗增加，系统功率因数降低，过零噪音，浪费系统容量，降低保护作用，医疗设备误动作等。近年，随着知识经济与信息时代的到来，电子计算机、微处理器、精密医疗仪器以及其它数字化电子设备应用日益普遍。而这些电气设备都对电源的谐波质量具有很高的要求。遇到高次谐波时，经常出现程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动甚至导致永久性损坏。目前，发达国家均已制定了谐波限定的标准与规范等一系列法规。国际电工委员会IEC于1982年开始制定IEC955－2，明确提出对谐波限定的要求。1994年及1995年又修订为IEC－1000－3－3《额定电流不小于16A的设备在低电压系统中电压波动及闪烁的限值》，IEC－1000－3－2《每相电流小于等于16A的设备谐波电流的发射限值》。美国电子电气工程师协会IEEE于1992年制定了谐波限定标准IEEE－1100。我国也已于1993年颁布了GB/T14549－93《电能质量、公用电网谐波》的国家标准，明确规定了电网标称电压380V，电压总谐波畸变率THD限值5％以下。

2 谐波对电力行业的危害

电网的谐波主要由具有非线性特性或者对电流进行周期性开闭的电气设备产生，这类设备分为以下两种：

⑴装有电力电子器件的设备，例如变流器、变频器、交流控制器、电视机等。

⑵具有非线性电流电压特性的设备，例如感应炉、电弧炉、气体放电灯和变压器等。

随着晶闸管电路的广泛应用，上述设备成为主要的谐波源。

2.1 谐波的增加使供电系统可能发生谐振

最常见的谐波谐振是在接有谐波源的用户母线上，因为母线上除谐波源外还有电力电容、电缆、供电变压器及电动机等负载，而且这些设备处于经常性的变动中，容易构成谐振条件。一旦发生谐振，将会发生系统过电压而跳闸甚至绝缘击穿。

2.2 对变压器的影响

谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电气应力增大，而谐波电流使变压器的铜耗增加，这种危害对换流变压尤为严重，因为交流滤波器通常装在交流侧，谐波电流仍通过换流变压器，滤波器对它不起作用。

2.3 对电容器和电缆的影响

在谐波电压作用下，使电容器产生额外的功率损耗。电容器对供电系统其它部分产生串联、并联谐振，可能发生危险的过电压及过电流，这往往引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏。在谐波电压作用下，电缆的介质损耗也增加。使电力电缆绝缘损坏，电缆发生单相接地故障的次数明显增加。

2.4 对断路器运行的影响

谐波含量较多的电流将使断路器的遮断能力降低。当存在严重的谐波电流时，某些断路器的磁吹线圈不能正常工作。

2.5 对输电线的影响

当谐波电流流过输电线(电缆)时，导线的直径愈大，因集肤效应而使谐波频率下的电阻增大，谐波产生的附加损耗也愈大，同时引起无功功率增大，功率因数下降。

2.6 功率因数补偿设备产生问题

在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，造成电容器超载而损坏，也会使与电容器联接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变超压过负荷而损坏。据统计，70％以上的谐波故障发生在电容器装置上。

2.7 保护装置的误跳闸

配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过零点时，电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要

迅速得多，使电弧容易重燃。因此导致误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳。漏电电流可能会达到使漏电保护装置动作的设定值。事实表明，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50％的故障电流，还会导致断路器损坏。

2.8 在负载适中情况下变压器过热现象

谐波会引起变压器的额外损耗，这些损耗将会导致早期故障。随着当前装置需要运行到极限值的趋势以及低电压系统日益增高的谐波污染，这个问题也变得日趋严重。

2.9 感应电动机

电压谐波会导致直接的感应电动机的额外损耗。高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹。由于速度是固定的，在谐波里储藏的能量就以额外的热量形式散发了，导致设备过早老化。

3 谐波污染的治理

目前，国内治理谐波普遍采用提高变压器质量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面使之等于线、相电缆截面的两倍，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法。这不但不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，而且又加大了投资，增加供电系统的隐患。

谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载所致，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏

感的负载的供电线路分开。在实际应用中，尚有下述办法被大量采用。

3.1无源滤波器

传统的习惯多选用此法，它是包括一组以串联连接的电抗器与电容器，此电路的阻抗在某一频率下，被设计成比电网中的其他电路低的多。这种装置的缺点是容易过载，在过载时它会被烧损，另外，可能造成功率因数过补偿而被罚款，同时，无源滤波器不能受控，因此随着时间的改变，配件老化或电网负载的变动，会改变谐波振频率，则滤波效果会下降，更重要的是无源滤波器只可以过滤一种谐波成份，如果过滤不同的频率，谐波则要分别不同的滤波器，如有的滤波器只能滤除三次谐波。如图1所示为选煤厂供电采用的谐波补偿装置。

该补偿滤波装置存在如下问题:当大型电机停止运行时投入H5(250Hz)，功率因数为cosφ= 0.94；当大型电机运行时，功率因数急剧下降为cosφ=0.9，此时出现欠补(滞后运行)。当大型电机停止运行时，投入H7(350Hz)，功率因数超前，cosφ=0.94；当大型电机运行时功率因数滞后，cosφ= 0.9，这种运行方式不能采用，因为过补易发生谐振过电压。3.2有源滤波器

目前，国内外有许多种有源滤波器，但大多数是电子型有源滤波器。比较突出的是动态滤波器，它是先从被治理被保护的线路量度谐波电流值，然后制造一个与该畸变谐波电流反相的谐波电流频谱，以抵消原线路和谐波源所产生的谐波。因此

动态滤波器基本上是一个抵消电流发生器，其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信息处理DSP技术来控制快速绝缘栅双极晶体管JGBT来完成，但此种产品价格昂贵。另外，它有电容器与电感线路，由于本身也是谐波发生源，容易损坏。

3.4谐波吸收电抗器

采用磁性方法治理谐波比有源滤波器有更低的成本。其工作原理在理论上的是彻底革命性的，它是从任何一种谐波对电路系统带来危害的本质上着手解决问题的。它的特点是：用磁场吸收谐波能量的方法，解决谐波问题，具有很高的可靠性与使用寿命。此类的产品如HPD谐波保护器，采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路,能吸收各种频率各种能量的谐波干扰，将谐波消除在发生源，自动消除对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰。HPD谐波保护器并联在电路中使用，本身并不耗电。如图2所示。

图2HPD谐波保护器并联应用

3.4.1 HPD谐波保护器应用实例1

图3是某公司为煤矿带式输送机和绞车电机配套使用的矿用隔爆兼本质