电网谐波测量

电网谐波测量

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1 绪论

随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波的问题，因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。所以，面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术手段的落后、自动化水平低的现状，针对电压质量和谐波问题，研究电网谐波治理问题和无功补偿新技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义[3]。

1．1 谐波的定义

“谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率振动。电气学中所谓电网谐波，就是电网正弦电压波形畸变后，其波形可以按傅立叶级数进行分解，除了基波（50HZ）之外，还有一系列频率为基波频率整数倍的正（余）弦波，这些正（余）弦波称之为谐波。正是由于这些谐波注入了电网，就使得电网电压波形畸变[14]。

1．2 谐波的危害

电网谐波的危害主要有以下几点：

1、相同频率的谐波电压余谐波电流要产生同此谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网容量。

2、高次谐波能使电容器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少，甚至出现发热、鼓肚、击穿或爆炸事故。同时在电压已经畸变的电网中，电容器的投入，还可能使电网的谐波加剧（谐波放大现象）。

3、谐波往往引起继电保护不工作或误动作，从而造成设备与系统的事故，尤其是半导体继电保护与整流型继电保护更为严重。

4、谐波能增大仪表的计量误差，干扰通讯网络的正常工作。

5、电机中有谐波电流，且频率接近某个零件的固有频率时，使电机产生机械振动并发出很大的噪声。

6、谐波对人体有影响。从人体生理学来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转。其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的磁辐射就会直接影响人的脑磁场和心磁场。

1．3 谐波的产生

电网谐波来源于三个方面：其一是发电源质量不高产生谐波；其二是输电网产生谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以电气设备产生的谐波最多，具体情况如下：

1、整流设备。由于晶闸管整流的广泛应用（如电力机车的、路电解槽、电池充电器等），给电网造成大量的谐波。统计表明：由于整流装置产生的谐波占所有谐波的40%左右，这是最大的谐波源。

2、电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三项电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃料不稳定，引起三项负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的△形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。

3、电力变压器。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济型，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波，其次谐波电流可达额定电流的0.5%。另外变压器空载合闸时出现的涵流中也含有大量的谐波量。

4、家用电器。如电视机、录像机、电子调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波；在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能是波形改变。

1．4 谐波抑制的三种方法

为了产少谐波的危害，根据谐波的来源，抑制谐波的方法大致从三个方面考虑：

1、确保电源的质量从发电机本身来说，产生谐波是很少的，这主要就是要从管理上保证发配电的质量，尤其是对于自发电设备的企业，要制定相应的措施予以保证。

2、减少输电网谐波的产生与磁辐射如尽可能采用高压直流输电；低压供电尽可能采用地下电缆；高层建筑内部的供电线应用铁管来防止磁辐射，还应做好大楼建筑的接地系统的设计与实施安装。

3、限制用电负荷产生的谐波前已述及，用电负荷是电网谐波的最主要的来源。首先要求用户对电网电压的畸变率与谐波电流的限制要做到负荷国家要求。根据国家水电部颁发的SD126-84规定,如果超过极限值，则应采取抑制措施。其次，就是要把维护电网不受谐波污染定成规章制度，用户与电气设备制造厂商都要配合发供电部门齐抓共管。具体来说应做到下面几点：

（1）对容量在100kVA以上的整流装置与非线性用电设备，必须就地增设滤波装

置，吸收高次谐波。

（2）具有整流元件的设备，虽是小型用电器，也要增加整流相数与脉冲数，或把晶闸管移相触发改为过零触发，或者增设滤波装置，做到尽可能减少谐波。例如有些厂家生产的晶闸管调光台灯就增设了滤波原件。虽然成本有所增加，但能抑制谐波对电视机等设备的干扰，应受到推广。

（3）制造电磁感应式设备的厂家，要采用高质量的电磁材料，也可适当降低磁密。对于劣质元件的电磁设备要限制出售使用。

（4）对于电容器组等大容量的设备，应在回路内串电抗器或增设限流装置，抑制高次谐波。

（5）合理选择供电电压，尽量保持三相平衡。对能产生谐波的大容量设备还可采用较高电压供电，以减少系统的阻抗，从而减少谐波引起的网损。

（6）在产品的设计上还可采用干扰频率转嫁措施。如在变压器降压整流稳压的设备中，采用开关电源的逆变技术，就能大大降低低频段的污染，而转嫁到150kHz 以上频率的污染，而这种较高频率的谐波容易被抑制。

总之，面对日趋严重的电网谐波污染，必须引起高度重视，这就需要发供电部门、用户及电气设备的制造厂商都从大局出发，共同努力，清扫和维护电网的“公共卫生”。同时只有这样，才能有利于各行各业的生产发展，才能有利于人民生活水平的不断提高。

2 课题分析

2．1 课题来源

随着电力电子技术的迅速发展，各种变频器、变流器、开关电源和电抗器的应用日益增多，电网随之产生的谐波污染也日益严重，影响了电力系统的安全运行及线路周围的电磁环境，因此电网谐波测量成为热门研究课题。

2．2 设计思路

将220V的交流电压通过电压采样环节，得到模拟量电压，将得到的模拟量电压接到USB2002采样卡模拟输入通道，接着由采样卡的采样环节变换成离散的数字量，然后运用傅立叶变换作谱分析，由于栅栏效应，谱线位置与分析点可能不重合，可采用具有实谱特性的窗函数对信号进行加窗处理，然后对信号及其时移连续作两次FFT分析（实为一次复时域信号分析），则在窗谱的主瓣内将含有若干个由窗泄漏造成的相