浅析谐波对电气设备的影响与治理

浅析谐波对电气设备的影响与治理
谐波是电网的公害，严重影响供电的质量，甚至会造成重大事故的发生。

文章对谐波的产生作了简述，进而分析谐波对电气设备造成的危害，最后提出谐波治理的方法。

标签：谐波；危害；滤波；治理
1 谐波的定义
谐波是指电路中所含有的频率为基波整数倍的电量，是对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，所有大于基波频率的电流所产生的电量，谐波次数多为正整数。

2 谐波产生的原因
供电系统线路结构、电器设备的分布以及非线性设备的使用都可能产生大量的谐波。

电源本身产生的是谐波电压。

发电机因结构缺陷，使磁力线在电枢表面呈非正弦的分布，在绕组中产生的感应电动势和感应电流也偏离正弦波形。

多个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。

供配电线路、设备的对地电容与网络中的感性负载发生的谐振，不但产生了一定频率的谐波输入到电网中，更可将电网中的某谐波放大，而影响电网的供电质量。

非线性负载是谐波电流主要产生源。

对于各种工业用变频换流设备，电气化机械设备，电弧炉及节能照明灯具、家用电磁炉、微波炉等非线型设备，均因其工作时产生的尖顶电流，使电源电压的正弦波形发生畸变。

线性负载工作时，因其总阻抗不产生动态变化，使其工作电流与电源电压波形相同；而正弦电压加压于非线性设备时，因动态阻抗影响使其工作电流产生非正弦尖顶现象形成谐波电流。

非线性负载产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。

3 谐波的危害及治理
3.1 危害
理想的电源应该是频率固定，幅值符合规定的电压。

谐波电流和谐波电压对供电网a络产生污染，恶化用电设备的环境，使设备之间产生干扰，其危害表现在以下几方面。

3.1.1 企业电费增加。

电网中谐波产生的功率多为无功功率，使系统带负荷能力下降，增加了电力运行成本。

3.1.2供电设备故障率增加。

供电电压因谐波使波形变尖而峰值增大，导致交流电磁设备铁损增加，并且使绝缘材料承受的对地电压增大。

谐波电流增加了
交流电磁设备的铜损，严重时产生较大的电磁噪声、绝缘老化加速和局部过热等现象，缩短电气设备寿命，降低供电可靠性，甚至在生产过程中因断电而造成严重后果。

3.1.3 供电质量下降。

电网中的变压器、电动机、整流变频电子设备（谐波源）、电力电容器、电缆等设备，因经常性的移设安装，而构成串并联的谐振状态。

当电网结构及参数对某一频率的谐波形成振荡时，使谐波得到放大，在供电系统内产生过电压、过电流现象，而危及系统的正常安全运行。

3.1.4 电气设备工作异常。

谐波频率的增加会使电动机绕组中的电流趋肤效应增加，涡流与磁滞损耗增大。

设备温升因内部损耗增大而过快，降低工作效率，限制了工作条件。

谐波过电压会使泄漏电流增加，在其反复冲击下定子绕组的绝缘性能不断降低，导致放电或击穿。

而谐波电流产生的脉动电磁转距，因负载阻转矩的增加产生了转速不稳现象，并产生较强的电磁噪声。

所拖动的机械设备因共振增强而造成机械扭曲变形，机械疲劳加剧、工作温度升高降低机械强度及至设备损坏。

轴承因谐波引起的较大谐波轴电压击穿轴承油膜而损伤，增大机械损耗缩短电机的寿命，甚至直接损坏电机。

谐波导致变压器工作性能严重下降，在全星形供电系统中，变压器中性点装有接地并联电容器，或电网中分布电容较大时，易形成3次谐波谐振，增大其附加损耗，而影响其运行的可靠性；谐波电流不但使变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，还会使这些部件因电磁力的作用，而加剧机械振动增大噪声。

3.1.5 继电保护装置拒动、误动。

继电保护装置是保证电网安全运行的重要设备，其工作时的电压电流是以正弦工频的特性设计的，而其安装位置又非常接近谐波源，使继电器的动作特性，极易受到谐波干扰而影响其灵敏性，造成拒动或误动，引发中断生产及安全事故。

其影响大小与继电器类型及工作原理相关。

当供电线路出现接地短路时，短路电流中较大的谐波分量，使整流型继电器因取样值偏小发生拒动现象。

而整流型距离保护装置的振荡闭锁发生误动作，是因系统电流中的三相不对称谐波，使负序滤波器产生较大的谐波输出，造成整流后的直流脉动很大，使继电保护装置发生误动。

当采用电磁型电流继电器进行短路保护时，流入继电器的谐波电流使电磁转矩增加而发生误动作。

谐波电压对电磁型电压继电器的总阻抗影响较大，谐波电压使过压继电器误动，欠压继电器拒动。

3.1.6 谐波对通讯系统的影响。

通讯线路与供电线路平行或间距较小时，使电网中的谐波在电磁感应的作用下，耦合到通讯线路内造成干扰，使信息失真甚至丢失，严重时将威胁通讯设备的正常工作及人身安全。

3.2 治理
谐波治理主要是以减少、消除进入电网的谐波电流来进行谐波抑制的，通过多重并举的措施，使其控制在限定值之内。

3.2.1 降低非线性设备的谐波含量。

（1）增加整流装置的输出脉冲。

谐波电流近似与谐波次数成反比，虽然增加整流器脉冲数也会使产生的谐波次数增加，却能使谐波源产生的谐波电流相应减小。

（2）脉冲宽度调制技术。

在直流调速设备中采用PWM脉冲宽度调制技术，能使变流器产生小幅值、高频率谐波，在控制基波幅值的同时实现对低次谐波的抑制。

3.2.2 在谐波源处吸收谐波电流。

（1）无源滤波器。

无源滤波器是采用R、L、C元件构成的谐振电路，安装在电气设备的交流侧，利用LC串并联谐振的特点，对某次谐波形成低阻抗通路，达到抑制谐波的作用，其滤波效果受系统参数影响大，并有放大某一次数谐波的缺点。

（2）有源滤波器。

采用电子振荡电路，向电网注入与谐波大小相等相位相反的电流，使电网中的总谐波电流为零。

这种补偿方法易控制响应快，能实现对多次谐波的补偿抑制，不受系统参数影响，能自动跟踪谐波变化，具有极强的自适应功能。

（3）加装静止无功补偿装置。

谐波源产生的谐波会使供电系统的电压出现不平衡现象，影响供电的质量。

采用静止无功补偿装置，能有效稳定供电电压。

静止型动态无功补偿装置与无源滤波器并联，既能满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。

3.2.3 其它治理措施。

对电网中改善功率因数，起调节电压作用的电容器组的安装位置、容量及与之串联的电抗器进行控制，可避免其对谐波的放大作用。

开关电源、变频装置采用电源滤波、电气屏蔽技术，可阻断自身与电网间的谐波互扰。

消除变压器空闸合闸时和应涌流的产生，以及电压互感器的铁磁涌流，可有效地抑制谐波的产生，但要做好过电压防护。

4 结束语
谐波不但使供电质量降低，在自动控制系统中还会造成数据丢失、运算错误等，甚至使继电保护失灵损坏电气设备。

为提高电力系统继电保护动作可靠性、灵敏性，采取多种治理措施相结合的办法消除谐波，以确保电力系统安全高效的稳定运行。

参考文献
[1]吴国沛，刘育权，任震.电力系统谐波对继电保护的影响[J].电力自动化设备，2002，22：78-79.
[2]俞振华.变频技术对功率电动机性能影响分析[J].电工技术，2011，3：54-57.
[3]何早虹.电力网中的谐波及其抑制技术[J].电气应用，2005，24：65-69.
[4]张选正，徐智林，张金远.谐波治理与无功补偿技术问答[M].北京：化学工业出版社，2009：75-93.
[5]贺家李，李永丽，董新洲.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2010：98-234.
[6]余培炎，马卫平，界金星.变压器5次谐波的产生及其对负序电压继电器的影响[J].电力设备，2004，5：27-30.
[7]张飞，张建超，张天玉.高次谐波对电气设备的影响及其抑制分析[J].电气工程应用，2009，2：20-21.
作者简介：刘战英（1972-），男，陕西榆林人，大专学历，高级技师，神华神东煤炭集团维修中心电工技能大师，电工培训师。