解决电力系统的谐波污染的措施和方法

匡兴杰

北京和利时系统工程股份有限公司（100096）

摘要：为了解决电力系统的谐波污染问题，专家们进行了大量的研究尝试了各种谐波抑制和无功功率补偿措施，从传统的LC滤波到有源电力滤波，各种各样的谐彼抑制技术层出不穷。文中针对电力系统的实际情况，就抑制谐波、补偿无功功率、消除谐波引起的谐振等问题进行了研究和探讨，对LC无源滤技术作了分析，对混合型有源滤波器等系统作了简单介绍；本文论述了多种防止电力谐波污染的方法和措施，并论述了对高次谐波的抑制具体办法。

关健词：谐波，污染，无功功率补偿，防治措施

1. 前言

电能或电力是公认的清洁动力。但众所周知，它也存在着污染。在电能的形成过程中，如火力发电厂的烟气、灰渣造成的常规环境污染、核电站可能造成的核辐射污染，大型水电站的建设可能出现的生态平衡问题等等。电能形成后，在传递、变换过程中电磁波辐射造成的环境污染等等。

现代技术装备，要求高质量的电能，电能质量，包括电压、频率与波形。电能的质量不仅直接影响用电器具的使用效能，而且它影响到整个国民经济的整体效益以及我国产品在国际上的竞争能力。大量非线性元件引人电力系统，使系统电压波形及电流波形发生畸变。波形畸变给产生畸变波形电流的装置自身、与其相接的其它装置以及电力系统运行都带来不良影响。这些不良影响或危害可以归纳为以下八个方面：

1、激发谐振，引起破坏性的过电流与过电压；

2、产生附加功率损耗，降低效率；

3、引起发热，加速绝缘老化，缩短设备使用寿命；

4、使测量仪表误差增加，影响监控效果与经济效益；

5、使自动装置失灵，控制失控，使设备不能正常运行；

6、使继电保护不能正确动作一误动或拒动；

7、大的有功和无功冲击，造成电压和频率的大幅度波动，将会造成负载，甚至系统的不稳定；

8、电压闪变，恶化工作环境，有害人体健康与工作效率。

这些影响已经严重影响电力用户和供电网的正常工作，并已造成了严重的损失。电压及电流波形畸变最早是由整流器引起的，这种整流器引起的畸变通常都是工频周期的周期性畸变。这类畸变波用傅里叶级数分析最为方便。傅里叶级数把周期畸变波分解为与畸变波频率相同的及无穷多与该频率成整数倍的正弦分量。这些正弦分量就是我们常称的“谐波”。把畸变波引起的危害称为“谐波污染”。这类谐波是电力的电压和电流的谐波。我们把它称为“电力谐波”，习惯上也把谐波污染称作“电力污染”。

电力污染随着现代电力的发展不断出现并日趋严重。电力污染与系统关系密切，实质上是电能质量问题，涉及面广，具有独特的复杂性，难于认识并难于治理。电力污染也随着技术的发展可以得到有效的控制，并最终将与电网运行控制结合起来。电力污染的理论发展与实践，逐步形成自己的理论体系与工程实践，并因此而形成一门新的边缘分支学科一电力环境工程学。

2. 谐波的产生和危害

电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例，如:变压器、异步电动机、日光灯等阻感负载不仅消耗有功功率，同时也要吸收无功功率才能正常工作。在电力系统中，电力电子装置(如:晶体管整流器、可控硅调压器、逆变器等)、变压器、发电机、电弧炉、口光灯等是主要的谐波源【1】。

随着电力电子装置的广泛应用，使得电力电子装置成为最大的谐波源。谐波源可分为谐波电流源和谐波电压源上述各种谐波源为谐波电流源，所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。如在工业上被广泛应用的整流装置，其直流侧为阻感负载，整流装置产生的谐波电流是由直流电流和半导体开关的切换方式所决定的。几乎与交流侧电压无关。但是，直流侧若为电容滤波的二极管整流电路，其输出的直流电压近似恒值，直流电压经半导体开关的切换加到交流侧，这样生成的谐波为谐波电压。不管是谐波电流，还是谐波电压，同样会给电力系统造成危害，而谐波电流的危害更为严重。

2.2 谐波的危害

谐波对电网的影响主要有:

谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波还会引起旋转设

备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。

谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。

谐波可引起系统的电感、电容发生谐振,使谐波放大。当谐波引起系统谐振时,谐波电压升高,谐波电流增大,引起继电保护及安全自动装置误动,损坏系统设备(如电力电容器、电缆、电动机等),引发系统事故,威胁电力系统的安全运行。

谐波可干扰通信设备,增加电力系统的功率损耗(如线损),使无功补偿设备不能正常运行等,给

系统和用户带来危害。

限制电网谐波的主要措施有:增加换流装置的脉动数；加装交流滤波器、有源电力滤波器；加强谐波管理。

（1）谐波使设备产生附加谐波损耗，降低供配电设备及用电设备的效率，大量的谐波电流流过中线时使线路过热，甚至发生火灾。

（2）谐波会影响各种电气设备的正常工作，谐波引起过电压、过电流使变压器严重过热，使电容器、电缆过热、绝缘老化，寿命缩短。

（3）谐波会引起公用电网局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大对这一现象，应特别关注。

（4）谐波导致继电保护和自动装置的误动作。通过现场电力设备测试发现，大量谐波源的存在，会产生各次谐波。其中5次、7次谐波尤为突出。同时，由于使用大量阻感负载，使得整个电力系统的功率因数很低。为此，用电单位将受到了供电部门的处罚。如果配置LC无源滤波补偿器，可取得了一定的效果，但不能彻底解决问题。

3. 抑制谐波污染的措施和方法

谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户扣电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：

3.1 贯彻执行有关谐波的国家标准，加强谐波管理