探析供电系统谐波产生的原因以及治理对策
毕业论文网 摘要：本文主要分析了谐波产生的原因及危害；对供电系统谐波防护提出相应治理对策。
关键词：谐波；原因；危害；治理； 0引言 近年来，随着电力电子技术的发展，非线性负载得到了广泛应用，非线性负载的负载带来的谐波问题也逐步得到人们的重视，在理想情况下, 供应的优质电力应具有正弦波形的电压，但在实际中供电电压的波形会因某些原因而偏离正弦波形, 即产生谐波。
电力系统中有非线性（时变或时不变）负载时，即使电源都以工频50HZ供电，当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅氏级数展开，就是人们称的电力谐波。
这些非线性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, 使供电质量变差。
谐波的危害表现为干扰通信线路的正常工作：引起电机、变压器和电容器等电气设备附加损耗和发热, 使设备温度升高, 效率降低; 绝缘加速老化, 使用寿命缩短, 甚至损坏; 降低继电保护、控制, 以及检测装置的工作精度和可靠性等。
谐波注入电网后会使无功功率加大, 功率因数降低, 甚至可能引发并联或串联谐振, 损坏电气设备。
为此, 必须采取有力措施, 防止电网中因谐波危害所造成的严重后果， 保证供电系统中所有的电器、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。
1谐波产生的原因 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。
电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non—harmonics）或分数谐波。
目前所称供电系统谐波是指一些频率为基波频率整数倍的正弦波分量, 又称为高次谐波。
供电系统中, 谐波是电力质量的重要指标之一, 产生谐波的根本原因是给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷) 供电的结果。
在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波，电网谐波主要来源自于以下几个方面： 1.1发电源质量不高产生谐波 发电机在制作上由于三相绕组很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致导致发电源多少也会产生一些谐波。
1.2输配电系统产生谐波 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，加上设计变压器时的经济性考虑，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%。
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，留下部分中含有大量的谐波。
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。
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，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。
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%。
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。
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。
随着电力电子设备使用的不断增加, 产生的谐波又具有较大的振幅, 它们是供电系统中的主要谐波源。
2谐波的危害 谐波的产生对公用电网造成的谐波问题特别突出, 不但使接入电网的设备无法正常工作, 甚至造成故障, 而且还会使供电系统中性线承受的电流超载, 影响供电系统的电力输送。
因此谐波问题得到各有关方面的高度重视，谐波对不同设备的危害。
2.1 增加发、输、供和用电设备的附加损耗 谐波电流频率为基波的整数倍, 高频电流的集肤效应增加了对谐波电流的有效电阻, 使设备功耗、能耗增加, 导体发热严重。
2.2 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。
集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高使旋转电机的铁心和绕组中的附加损耗增加。
供电系统中电动机负荷约占总负荷的85%。
因此, 谐波使附加损耗增加的影响最为显著。
电动机的出力一般不能按发热情况调整, 由谐波引起电动机的发热效应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。
试验表明, 额定出力下持续承受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影响不大, 但谐波会产生显著的脉冲转矩, 这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振, 并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
2.3 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; 对全星形连接的变压器,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。
2.4 对输电线路的影响 输电线路阻抗的频率特性使线路电阻随着频率的升高而增加。
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, 而供电电网的损耗大部分为变压器和输电线路的损耗, 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。
输电线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路在一定的参数配合条件下, 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。
当注入电网的谐波频率处于在网络谐振点附近时, 会激励电感、电容产生部分谐振, 形成谐波放大。
谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏, 同时产生相当大的谐波网损。
对于电力电缆线路, 因其对地电容比架空线路约大10～ 20 倍, 而线路感抗仅为1/2～1/3, 故更易激励出较大的谐波谐振和放大, 造成绝缘击穿的事故。
2.5 对电力电容器的影响 谐波电压增高会加速电容器的老化, 使电容器的损耗系数和附加损耗增加, 从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。
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, 会产生谐波电流放大, 过热、过电压等会影响电容器正常运行。
2.6影响继电保护和自动装置的工作和可靠性 谐波严重影响电力系统中以负序(基波) 量为基础的继电保护和自动装置, 因为按负序(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谐波干扰(电气化铁道、电弧炉等谐波源本身即负序源) 则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸, 产生严重后果。
2.7影响测量和计量仪器的准确性 电力计量装置按50 Hz 的标准的正弦波设计,供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。
有谐波源时, 该处用户的电能表的记录为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能, 故谐波源污染电网却反而少交电费; 而线性负荷用户处电能表的记录是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能, 后者不但使线性负荷性能变坏, 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性负荷用户。
2.8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,触发电话铃响, 甚至在极端情况下会威胁通信设备和人员的安全。
高压直流换流站换相过程中产生的电磁噪声(3～ 10 kHz) 会干扰电力载波通信的正常工作, 并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误, 影响电网运行的安全。
2.9影响用电设备的正常工作 谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件过热, 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则会在一定参数的配合下, 形成某次谐波谐振, 损坏镇流器或电容器。
对于采用晶闸管的变速装置, 谐波可能使晶闸管或控制回路误动。
3供电系统谐波的治理对策 谐波问题是关系到供电质量的一个重要问题,关系到供电部门和广大电力用户的切身利益。
一般从管理上和技术措施上采取以下对策: 3.1 加强谐波管理 执行有关国家标准GB1762511―1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A ) 》, 等效采用IEC6100―3―2: 1995, 它规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备可能产生的谐波的限值。
只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中, 以限制这些设备注入供电系统的总体谐波电流水平。
该标准确定了4 类设备即A: 平衡的三相设备以及除B、C 和D 类外的所有其它设备;B: 便携式电动工具; C: 包括调光装置的照明设备;D: 输入电流具有标准所定义的“特殊波形”, 且其有功功率≯600W 的设备产生的谐波电流的发射限值。
该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。
GB/T 14549— 1993《电能质量公用电网谐波》考虑了不同谐波源叠加计算的方法, 规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值, 对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。
3.2 增加换流装置的相数 系统的主要谐波源之一是换流装置, 其在交、直流侧产生的特征谐波次数分别为p k ± 1 和p k (p 为整流相数或脉动数, k 为正整数)。
p 由6 增至12 时,可有效消除幅值较大的低频项(特征谐波次数分别 为12k ± 1 和12k ) , 使谐波电流有效值大为降低。
3.3 加装滤波装置 目前常用的谐波治理的方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。
3.3.1 加装无源谐波滤除装置 无源滤波器主要是由电感器与电容器构成。
无源滤波装置的成本较低，经济，简便，因此获得广泛应用。
3.3.1.1 无源并联滤波器 现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。
多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。
3.3.1.2、无源串联滤波器 由电感与电容串联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。
3.3.2有源谐波滤除装置 该装置工作原理主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。
有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的，有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。
有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。
3.3.3无功补偿 无功补偿的作用主要有以下几点： 1）提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。
在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。
3）在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。
此外, 在技术经济可行的条件下, 还可在谐波源处装设动态无功补偿装置: 静止无功补偿装置或更先进的静止同步补偿装置, 以补偿快速变动负荷的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等。
总之, 真正意义上的电磁兼容要兼顾严格限制谐波的发射水平和提高设备自身的抗干扰的能力。
4结束语 综上述：谐波应该引起大家的重视，首先要从源头上限制谐波的产生，其次，一旦谐波产生就要尽快消除谐波的影响，最后各个用电户也应该按照国家的规范安装和使用电器，减少对电力系统的影响，电力系统作为电能质量的监管部门应该加大电能质量的管理，提高电力生产质量，减少在电能输送过程中产生谐波，对用户加强在使用电能过程中可能产生谐波环节的技术指导，共同营造安全、可靠、高效的用电环境。
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