电力系统中的谐波及其抑制措施

电力系统中的谐波及其抑制措施
供电公司吕向阳
【摘要】在电能质量多种指标中，受干扰性负荷影响，谐波是最为普遍的。

该文介绍了电力系统中的主要谐波源、谐波的危害及抑制措施。

关键词谐波抑制措施
一、概述
在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。

但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。

我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率（在我国取工业用电频率50HZ为基波频率）整数倍的正弦分量，又称为高次谐波。

在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线形阻抗的电气设备（又称为非线形负荷）供电的结果。

这些非线形负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏。

因此，谐波是电能质量的重要指标之一。

供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注，为保证供电系统中所有的电气、电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

二、谐波源
谐波源是指向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在发电环节，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。

谐波的产生主要是来自下列具有非线形特性的电气设备：
（1）具有铁磁饱和特性的铁心设备，如：变压器、电抗器：
（2）以具有强烈非线形特性的电弧现象的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；
（3）以电力电子元件为基础的电源设备，如：各种电力交流设备（整流器、逆变器、变频器）、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用在化工、电气化铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。

以上这些非线形电气设备（或称之为非线形负荷）的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有其电流不随电压同步变化的非线形的电压—电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

接入低压供电系统的非线形设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。

所谓稳定的谐波电流是指这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。

由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。

随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大
的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

三、谐波危害
供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面：
1、加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。

由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频率电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。

（1）对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。

由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。

在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。

因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。

由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。

试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。

因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。

谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。

这种震荡力使气轮发电机的转子元件发生扭振，并使气轮机叶片产生疲劳循环。

（2）对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星行连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

（3）对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的生高而增加。

在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。

在供电电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。

谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。

输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。

一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。

当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。

在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还产生相当大的谐波网损。

对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10—20倍，而感抗约为架空线路的1/2—1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。

（4）对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。

另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行，甚至损坏。

2、影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。

如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）则会引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸，则后果严重）、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

3、使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50HZ的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。

在有谐波的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线形负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线形负荷性能变坏，而且还要多交电费。

电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线形负荷用户。

4、干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。

另外高压直流换流站换相过程中产生的电磁燥声（3-10HZ）会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作和闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。

5、对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度产生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。

对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。

对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

四、抑制谐波的主要技术措施
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和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：
1、增加换流装置的相数
换流装置是供电系统的主要谐波源之一。

理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk（p为整流相数或脉动数，k为正整数）。

当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅度较大的低频项，（其特征谐波次数分别为12k±1或12k），从而大大降低了谐波电流的有效值。

2、加装滤波装置（包括无源滤波和有源滤波装置）
为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近减少谐波电流，从而减低谐波电压。

防止谐波电流危害的方法，装设交流滤波器，交流滤波器能有效地抑制谐波电流，使电网电压畸变减轻，送电质量提高，同时，反过来又使大功率负荷的效率充分发挥，寿命相对延长，滤波器提供的容性无功，还有一定的无功补偿作用，使系统的功率因数提高。

滤波器按主回路中是否含有有源器件，可分为有源滤波器和无源滤波器两类。

3、加装静止型动态无功补偿器（SVC）
有的谐波源负荷除产生谐波电流外，还使供电系统的母线电压波动，并带来闪变。

如大型轧机、电弧炉等负荷，使得电能质量的几个指标都出现问题。

为了统一解决问题，常采用SVC与无源滤波器一起使用的方式，其中SVC只起快速调节无功功率的作用。

五、抑制谐波的其他技术措施
1、加强系统承受谐波的能力
（1）增大系统容量，可以增强系统承受谐波的能力并降低系统的谐波电压水平，但是有待于电力系统的发展。

（2）将谐波源负荷改由容量较大的母线供电，或改由高一级电压的电网供电。

很多用户的整流装置经由数千米馈线（6KV或10KV）供电，装置供电母线的短路容量较小，由此产生的谐波干扰很大，常使用户附近的用电设备无法正常工作。

如果在设计规划时对谐波源负荷由容量较大的母线或高一级的电网供电，则可避免这些问题。

2、提高供、用电设备抗谐波干扰的能力
按电磁兼容的有关规定，系统中的各种供、用电设备的抗谐波干扰的能力应高于系统的谐波兼容值。

在设备的设计生产中应制定相应的标准加以规定。

3、合理选择变压器额定运行磁密
电力变压器在系统中量大、分布广，变压器的励磁电流中的谐波不可忽视。

制造厂家为了减少体积、降低成本，其额定运行磁密一般取得较高，在额定电压下已接近饱和。

当系统运行电压提高5%左右，励磁电流会增加40%以上，有的甚至达到1.0被左右，造成谐波电流急剧上升，这是HV、EHV系统谐波电压水平偏高的重要原因之一。

因此降低变压器的额定运行磁密是降低系统电压谐波水平的措施之一。

降低变压器额定运行磁密会增加制造成本，但从变压器运行角度看，可以减少空载损耗和由谐波引起的附加损耗，降低运行费用。

因此可以将两者进行技术经济比较，以得出一个合理的变压器额定运行磁密。

4、系统运行电压控制在合理的水平
系统运行电压高于额定电压会给系统带来诸多不利的影响。

从目前看，系统谐波电压一般在深夜至清晨这段时间内较高，从而使变压器铁芯饱和，励磁电流谐波增加，而此时全网负荷较轻，系统谐波阻抗增加，使得系统谐波电压水平提高。

从降低系统谐波电压水平看，将系统的运行电压控制在合理水平是有效措施之一。

5、并联补偿电容器组改造
如上所述，并联补偿电容器组在一定条件下可能产生谐波放大，根据设备情况应将并联补偿电容器组的串联电抗器进行适当调整。

当附近存在较大的谐波源时，应将其改成单调谐滤波器并供出一定的无功功率，这对于降低谐波水平是一个有效的措施，其投资不会很高，效果将会很显著。

6、制定谐波源设备谐波电流限值标准
变压器的空载电流谐波含量目前尚无标准。

虽然在按国标GB1094-1中要求测量变压器的空载电流谐波含量，但它属于特殊试验项目，不作强制性要求，对于测量方法和仪器没作具体的规定，测量结果也不作为产品是否合格的依据。

因此即使是同一种型号的变压器，空载电流中的谐波含量差别很大，特别是在测量方法、测量设备及仪器上存在的问题更多，致使很多测量结果可信度很低，因此有必要在相应的国家标准中对其空载电流中的谐波含量限值加以规定；对其测量
方法、测量电源、测量仪器、不同连接组别变压器的测量方式等作出统一的要求和规定，并在产品的出厂试验报告中提供空载电流的谐波测量结果。

高压并联电抗器在其行业标准中规定，电抗器产生的各次谐波电流幅值不超过基波幅值的3%，既I h/I N1≤3%，这一限值有待研究。

例如对额定电流为157.5A 的电抗器，若3次谐波电流I3=1.0%×I N1，也达到1.575A，其大小同一台容量750MV A的变压器额定励磁电流相当，但比变压器的励磁3次谐波电流约大57%。

对其他的一些谐波源设备也应制定限谐波电流含量的标准。

《参考书目》：《电压电流频率和电能质量国家标准应用手册》。