电网谐波污染及其防治措施

浅谈电网谐波污染及其防治措施
[摘要] 对电力系统谐波的污染进行了介绍，分析其对电网、一次设备、二次回路装置的影响。

通过加大谐波管理力度，建立电能质量监督网络，做好谐波普测，并运用各种方法消除谐波干扰，实现供电质量提升。

[关键词] 电网谐波污染防治
1.谐波概述
1.1 谐波
电力系统中存在大量非线性阻抗特性的供用电设备,使得实际的交流电波形偏离理想状态的正弦波，这种现象称为正弦波形畸变。

此时的非正弦波是周期性电气量，根据傅里叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波频率（工频）整数倍的谐波分量。

谐波实际上是一种干扰量,使电网受到污染。

1.2 谐波特征量
1.2.1畸变率
各次谐波电压的方均根值与其基波电压方均根值的百分比,称为电压谐波畸变率。

国家规定10kv专线供电电压畸变率不许超过4％，低压380v供电电压畸变率不许超过5％。

1.2.2谐波含有率
第h 次谐波分量的方均根值与基波分量的方均根值的百分比，称为谐波含有率。

供电部门对用户的电流谐波含量加以限制, 以保证电网电压谐波含量不超过规定的限值。

2.谐波的危害
谐波污染是电网的公害, 它恶化了电能质量,降低了电网的可靠性,增加了电网损失,缩短了电气设备的寿命,降低了产品质量,引起很大的经济损失。

2.1谐波污染对电网的影响
（1）增加了电网局部谐振的可能,从而造成过电流或过电压而引发事故。

工频下，电力系统装设的电容器其容抗比系统的感抗大得多，不会发生谐振。

当系统参数不合理或有足够强的谐波源时,感抗增加而容抗减小，串联或并联谐振问题就必然存在，将严重影响电网正常运行甚至导致系统事故发生。

（2）引起电网功率损耗增加、接地保护功能失常、线路和设备过热等，加速电气设备绝缘老化。

特别是3次谐波会产生极大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流值甚至超过相线电流值，造成设备不安全运行。

2.2谐波对供电一次设备的影响
（1）变压器：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，引起局部过热,噪声增大，绕组附加发热等现象。

（2）电容器：谐波电流过大，将导致电容器过负荷而影响其使用寿命；若电容器组发生谐振,引起电容器谐波电流严重放大，将导致电容器过热损坏。

（3）输电线路：谐波电流流过输电线路时, 因集肤效应使输电
线路的附加损耗增大。

谐波使电力电缆的泄漏电流增加, 对电力电缆的损坏程度相当大。

（4）断器路：谐波电流较大时将使断路器遮断能力降低,这是因为当电流有效值相同时,波形畸变严重的电流与基波电流相比, 在电流过零点的电流变化率可能较大,在严重的谐波电流时,一些断路器磁吹线圈不能正常工作。

2.3谐波对二次回路装置的影响
（1）继电保护及自动装置：谐波源注入系统的谐波,将会引起系统各类继电保护和自动装置误动或拒动,比如:发电机负序电流保护、主变压器过电流保护、母线差动保护、线路距离保护等装置误动。

（2）电能计量装置：谐波对感应型和电子型电能表计量准确度均存在一定影响。

当正弦波电源供非线性负荷，负荷污染电网、向系统注入谐波功率，少交电费，对电力系统不公平；当谐波电源供线性负荷，用户设备性能变坏，吸收谐波功率，多交电费，对电力用户不公平。

3.谐波的防治措施
3.1 加大谐波管理力度
从电网上将谐波源负荷与不能受干扰的用户分开，切断干扰的传递途径。

对谐波源负荷实行分级限制: 首先限制小容量换流装置和交流电压调整装置的最大容量;当超过限定的最大容量时,则应限制单个换流装置注入电网公共连接点pcc的各次谐波电流;如不满
足此二条件,则应要求连接点的电压畸变率和谐波含有率不超过规定的限值。

所有用户注入pcc点的总h次谐波电流允许值ih可由下式确定：
式中sk1为pcc点的最小短路容量；sk2为基准短路容量， ihp 为国标规定的基准短路容量下pcc点第h次谐波电流允许值。

在公共连接点pcc处第i个用户的第h次谐波电流允许值ihi按下式计算：
式中si为第i个用户的用电协议容量；st为pcc点的供电设备容量。

α为相位迭加系数。

供电部门在确定新接入用户的谐波含量允许值时, 除考虑系统中原有的谐波含量外,还应为以后接入系统的负荷留有裕度。

3.2 建立电能质量监督网络,做好电能质量普测工作
用准确的方均根值测量仪器仪表对电路及中性线谐波值进行检测，可建立电能质量远程在线监测系统，掌握被测线路的谐波水平与状况，了解谐波源的分布规律及动态变化情况。

典型的电能质量监测系统结构原理图如图1所示：
图1电能质量监测系统结构原理图
同时，加强对输配电系统电能质量的普查测试，特别是中低压系统,找出谐波产生和发展的规律,以确认谐波污染的程度和谐波来源。

常用的便携式谐波分析仪有美国福禄克公司fluke 435，日本日置公司hioki 3196等。

3.3 消除谐波干扰的具体方法
(1)增加供电系统承受谐波能力。

将谐波源由低电压、小容量供电方式改为用高一级电压、较大容量的供电方式，通过提高系统的短路容量，减小谐波源对其他用电设备的影响。

这种方法适合在规划和设计阶段予以考虑。

(2)消除电网局部谐振。

改变与电容器串联的电抗器参数、减少补偿电容器投入数量或增加补偿网络,或将电容器组的某些支路改成滤波器等方法均可有效减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。

只有当n次谐波源在电容器支路内的电抗呈感性时，运行中的电容器的高次谐波谐振才能得以消除。

电抗器感抗值若以抑制3次谐波考虑时，即j3ωl －j/3ωc>0，则ωl >0.11/ωc，电抗值取容抗的11%；若以抑制5次谐波考虑时，即j5ωl －j/5ωc>0，则ωl >0.04/ωc，电抗值取容抗的4%。

由于电容器在运行中容抗值会增大，且系统中除了3次、5次谐波外还有其他次谐波干扰，故电抗器的电抗值还应考虑一可靠系数（一般取1.2~1.5）。

电抗值一般取5%~6%，以抑制5次谐波；取13%，以抑制3次谐波。

(3)加装静止无功补偿装置(svc)。

静补装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成, 可以有效地吸收高次谐波，减小波动谐波源的污染。

同时能抑制电压波动和闪变，改善三相不平衡和补偿功率因数,具有综合的技术经济效益。

静补装置的一次性投资大, 在制定工程方案时应经充分的技术经济比较。

(4)采用无源电力滤波装置(ppf)。

无源电力滤波装置就近吸收谐
波源产生的谐波电流,降低连接点谐波电压,是抑止谐波污染的一
种有效措施。

该装置一般由电力电容器、电抗器(常用空心)和电阻器适当组合而成,它和谐波源并联,除了起滤波作用外还兼顾无功
补偿的需要。

ppf结构简单, 运行可靠,维护方便,目前已得到广泛应用。

(5)采用有源电力滤波器(apf)。

有源滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器, 它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后, 再完整地复制出来,然后反相接入谐波源的入网点,向电网送入与
原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零。

其工作原理图如图2所示：
图2有源滤波器（apf）工作原理图
apf由于仅补偿无功电流, 因此装置容量可大大减小, 相应地降低了损耗；它对电网参数没有影响,不会引起谐振危险,因而使用灵活,是一种很有发展前景的谐波补偿装置。

apf产生的谐波随污染源的变化而变化,抑制谐波的效果非常好,但功耗和费用较高。

4.结束语
随着社会经济发展，电能作为最重要的能源，其质量问题正受到广泛关注。

电力系统谐波对节能降损有直接影响，本文对谐波污染相关问题进行了分析探讨。

综合运用各种防治措施有效降低谐波功率损耗，抑制谐波污染，促进电能质量提升，将有重大的节能效益。

参考文献：
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[2] 汪德荣. 配电网谐波分析与测量[d]重庆大学, 2005 .
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