谐波治理的重要性及案例分析

谐波治理的必要性及案例分析

安科瑞周洁

1 引言

随着科技发展，电子产品大量应用，电网中谐波大量产生，作为设计人员需要了解谐波的成因及危害，以便更好地防御及治理，提高电能质量。

近年来，电气产品行业出于节能和生产的需要，积极运用新技术，大量地运用了可控变流装置、变频调速装置等非线性负荷设备。其所产生的谐波问题直接影响到了公用电网的电能质量，已引起人们的广泛重视。

2 谐波产生的原因及影响

2.1 谐波的成因

在民用建筑中，UPS电源、电子调速装备、节能型灯具及家用电器中的计算机、微波炉等电力电子设备和电器设备应用的大量增加，以及医院等特殊场合的放射X光机、CT机等大型医疗设备等，使各类非线性负荷注入电网的谐波日益增多，造成电网电能质量的污染的影响也越来越大。在这些设备集中使用的地区，如医院、大型商场、居民小区、写字楼、酒店公寓等，谐波污染已相当严重。谐波污染的影响使电能质量明显下降，因此，对电能质量谐波污染的抑制和治理已刻不容缓。

电网中的谐波主要指频率为工频（基波频率）整数倍成分的谐波及工频非整数成分的间谐波，它们都是造成电网电能质量污染的重要原因。根据大量现场测试的分析结果证实，电力变压器也是电力系统中谐波的一个重要谐波源。电力变压器的激磁电流、铁心饱和及三相电路和磁路的不对称，致使在变压器三角绕组的线电压和线电流中也仍然存在三次谐波分量，尤其在负荷低谷时，随着电网电压的升高，变压器铁心饱和程度加剧，产生的谐波含量也随之增大。随着电网大量电容装置的投运，通过对现场谐波实测发现，谐波并不是只有零序分量可被变压器三角绕组所环路，而是波及全网，并给电容装置及电网的正常运行带来影响和威胁。

2.2 谐波源的分析

2.2.1可饱和设备

可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。可饱和设备是非线性设备，与电力电子设备和电弧设备相比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，其谐波的幅值往往可以忽略。

2.2.2电力电子设备

电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其它SCR控制系统等。由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路，如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性和容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。而容性负载的单相整流电路，由于电容电压会通过整流管向电源反馈，属于电压型谐波源，其谐波含量与电容值的大小有关，电容值越大，谐波含量越大。变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波，还含有非整数倍数的间谐波。

2.2.3 电弧炉设备及气体电光源设备

①电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波

②气体电光源包括荧光灯、霓虹灯、卤化灯。根据这类气体放电光源的伏安特性。其非线性特性十分严重，同时含有负的伏安特性。而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量在20%以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，所有气体电光源设备属于电流源型谐波源。

2.3 谐波对各方面的影响

2.3.1 对电网的影响

①引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭的时间延长，影响断路器的开断能力；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附近磁场的干扰等。

②造成电网的功率损耗增加、设备寿命变短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振，使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。

2.3.2 对用电安全的影响

①设备影响。电能质量的污染对继电保护、计算机系统和精密制造业的精密机械和仪器等，都可能影响正常的运行、操作，降低设备正常使用寿命，甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故，造成不同程度的影响和损害。

②火灾影响。一些建筑突发性火灾已被证明与电力谐波有关。目前，节能灯、调光器和电器设备中开关电源的应用很普遍，本意是节能，但这些终端设备作为谐波源，对电网的危害很大。经有关部门测定，应用电器设备较多的酒店、商厦、网吧、计算机房、居民小区等，在没有采取滤波等措施前，中性线电流都很大，有些甚至超过线电流，导致过热成为形成火灾事故的重大隐患。

③通信影响。谐波是电网干扰通信的重要因素，主要通过静电感应（电容耦合，电压作用）和电磁感应（电流作用），在通信线路上产生声频干扰。谐波频率高时，会发生杂音，在通信线路上引起音频干扰，严重时还可能触发电话铃响。采用屏蔽电缆通信，虽可消除静电感应的影响，但不能消除电磁感应的干扰。同时，对于存在多个中性点接地的配电网络，当三相负载不对称时，零线电流将对利用大地作参考电位的通信系统，造成参考电位漂移而产生干扰。

2.3.3 对各类电气设备的影响

①对变压器的影响。谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热等。变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。

②对电力电容器的影响。电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况。因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串联并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。另外，用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核，电容器很少按电网实际运行情况投切，甚至只投不切，无形中使电网电压失去了应有的调节裕度，使电压偏差等电网质量指标难以控制。

③对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发电机，将产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强度。同时，由于输出的电压波形中产生附加谐