电网谐波的产生,危害与抑制

电网谐波的产生，危害与抑制

当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成分，我们将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。谐波的对电子器件的正常工作有重要影响。本文从想、谐波的产生，危害与抑制来阐述谐波的对电网的影响。

一．谐波的产生

电网谐波来自于三个方面：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。

1. 电网与电源设备

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，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性，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。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。

2. 在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波

（1）晶闸管整流设备：由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

（2）变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的使用的增多，对电网造成的谐波也越来越多。

（3）电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角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%。

（4）气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

（5）家用电器：电视机、录像机、计算机、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使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

二．谐波的危害

谐波会产生各种各样的危害主要有：

⑴由于谐波的频率较高，使导线的趋肤效应加重，因此铜损急剧增加。同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。

⑵谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。

⑶精密电子设备（包括电子式电能表）会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁

⑷所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。

⑸电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。

⑹继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。

当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很严重的后果。

三．谐波的抑制

对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

（1）降低谐波源的谐波含量：也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

①增加整流器的脉动数：整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1／n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上，脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加

②脉宽调制法：脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

③三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线：三相整流变压器采用Y／Δ或Δ／Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11……等次谐波。

（2）在谐波源处吸收谐波电流：这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。目前常用的方式采用有无源滤波装置和有源滤波装置等。下面就谈谈这几种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

①无源谐波滤除装置：无源滤波器也称为LC滤波器，可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器，实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置，单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路，其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。无论高压和低压，都是一样的。高压滤波器和低压滤波器的区别，主要是使用的元器件的耐压不同，其所承受的电流也不同，要求的安全距离也就不