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1、电力系统中谐波的产生、危害及抑制摘要: 随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。在电力电网中，存在大量非线性负载,引起电网电流波形不再是正弦波。这一非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量，基波正弦量和一系列频率为基波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。各国对电力电网电压正弦波形畸变的极限值都有明确的规定，要求用户对接入电网的设备产生的谐波应采取一定措施，进行抑制。关键词：电力系统；谐波产生；谐波危害；谐波抑制In power system har
2、monic generation, harm and inhibition Abstractwith the development of electric power system and power market opening, power quality problems attracting increasing attention. byIn various nonlinear load (harmonic source) application popularization, produce the harmonic for grid of serious pollution.
3、Therefore, the harmonicAnd its control technology has become great attentions topic. In the power grid, the presence of a nonlinear loads, cause grid current waveform is no longer sine wave. This a non sinusoidal usable Fourier decomposition into a straight flow, base wave sine and a series of frequ
4、ency for base wave frequency integer times higher harmonic sinusoidal components combined. Countries to power grid voltage distortion sinusoidal waves of all limits to have specific provision, require the user to access the grid equipment produced a harmonic should adoptKeywords: electric power syst
5、ems, Harmonic; Harmonic harm; Harmonic control电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件,使电压和电流波形发生畸变产生谐波。谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常,还会引起变电站局部并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏。随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（ ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常
6、运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。 近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工
7、作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，世纪年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。 1、谐波的产生谐波的产生来自于3 个方面: 发电源质量不高;
8、 输配电系统; 用电设备一电源本身谐波由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。二由非线性负载所致1非线性负载 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。2 主要非线性负载装置（）开关电源的高次谐波开关电源由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样。这几种干扰可以通过电源线等产
9、生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。（）变压器空载合闸涌流产生谐波 铁心中磁通变化时，会产生倍额定电流的涌流，由于线圈电阻的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以次谐波为主。（）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生；（）电压互感器铁磁谐振过电压在我国、等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感
10、器。在正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感和系统对地电容在参数上配合，而产生谐振过电压。（）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（基波）外，还叠加了一系列高次波形谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（
11、近），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。（）电弧炉运行引起电压波动随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路开路短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是几十，这种谐波是以次谐波为主。2、谐波的危害谐波研究的意义，在于谐波的危害
12、十分严重，主要表现在以下几个方面：1引起供电电压畸变。2增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数。3增加了输电线路的损耗，缩短了输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。对于架空线路而言，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在，当谐波电压与基波电压峰值重合时，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕，损耗增加。对于电缆输电情况，谐波电压正比于其幅值电压形式增强了介质的电场强度，这会影响电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60。4增加变压器损耗。谐波使变压器
13、铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗。同时也使铁耗增加。另外，三的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量112J。5对电容器的影响。谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起谐波电流放大。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损坏中电容器占有最大比例。谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，最不情况是谐波和基波电压峰值的叠加，峰值电压上升使电容器介质更容易发电。一般来说，电压升高10，
14、电容器寿命缩短12141。由于谐波使通过电的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。器温升每上升8C，寿命缩短12141。由于电容器的容抗与频率成反比，因谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电波形畸变比基波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波所占比例不大，也生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起的谐波电流，导致电容器因过流而损害D玎J。6造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波改变继电器的工作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离
15、、频率继电器等均会引起误动、拒动、保护装置失灵或动作不稳定。7增加感应电动机的损耗，使电动机过热。另外，当电动机的谐波电流频率接近某零件固有频率时，会使电动机产生机械振动，发出噪声。8造成换流装置不能正常工作。当换流装置的容量达到电网短路容量的1312或以上时，或者虽未达到此值而电网参数易引起较低次谐波次数(第2次至第9次)的谐波谐振时，交流电网电压畸变可能引起常规控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定，对逆变器可能发生连续的换相失败而无法工作。9引起电力计量误差。用户为线性用户时，谐波潮流主要由系统注入线性用户，电能表计量的是该用户吸收的基波电能和部分
16、或全部谐波电能，计量值大于基波电能，线性用户不但要多交电费，还要受到谐波破坏。用户为非线性用户时，用户除了自身消耗部分谐波，还向电网输送谐波，电能表计量电能时基波电能和扣除这部分谐波电能的部分和或全部和，计量值小于基波电能。因此，非线性用户(谐波源)不仅污染电网，还少交了电费。10干扰通信系统。谐波通过电容祸合、电磁感应、电气传导对通信系统产生干扰，如损害通话清晰度、引起危害过电压等。11对其它设备影响。谐波还会对以下设备产生影响：使断路器断弧困难，断路器开断能力降低；引起避雷器谐波过电压而损害；延迟或阻碍消弧线圈灭弧作用；电压互感器由于谐振而损害；增大中性线电流；电视机图像变坏、翻滚：收音机
17、引起杂音；微机系统、数据传输系统、自动录波系统出现数据丢失、误动、误显示和波形异常等。 3、谐波抑制技术一、1、整机电源需留有较大贮备量 为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给予较大贮备量，一般选取倍余量；2、对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电 因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入的，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电，；3、分开测量、控制装置的供电与动力装置的供电 因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以
18、大大减少通过电源线的干扰。二、其余抑制高次谐波的技术1、开关电源干扰的抑制技术 一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。 采用电源滤波器，电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。 减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。2 、变压器空载合闸涌流抑止方法 根据方程（），如果合闸时，90（即便合闸），则： （）t没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，
19、理论上可以避免冲击涌流过程。3、抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法 如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。4、 抑制电压互感器铁磁谐振方法 其方法是要使它脱离谐振区，采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。5、 抑止整流和逆变产生的谐波（）在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只 的电容，（分别接在上） 这种方法可使电磁干扰电流降至原来的，效果较明显； （）变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地
20、，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。6 、抑止电弧炉运行时的干扰（）在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；（）可以重新安排供电系统。一种新的谐波抑制方案 （1）三相整流变压器采用Y或Y，这样联接可以消除3的整数倍的高次谐波，电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。 （2）增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，奇数低的谐波被消去的也越多。 （3）装设分流滤波器，分流滤波器是由R、C、L等元件组成的。串联谐振电路一般采取三相星形联接，它往往接在大型整流设备与电网的联接处，见图2。 图2分流滤波器接线图（4）装静止无
21、功补偿装置 上述四种抑制方式尽管对电网的净化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能对谐波全面管理或仅仅局限在很小的范围之内。这些方式都是被动的，不能随谐波变化而变化。随着科技的发展对谐波的抑制提出了新的设想，它克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段,它采用如图3的拓扑类型。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析、建立频谱图，以此频谱图为依据向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波，从而达到谐波抑制的效果。 图3有源谐波调节器的基本工作原理据此原理推出了有源谐波调节器（ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能将225次谐波有效地抑制。可根据电网的情况调整电压与电流波形的相
22、位角，修正电流波形，提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。它的工作原理见图4。 图4有源谐波调节器工作原理框图有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。该调节器还具有标准的RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯。（a）无有源谐波调节器（b）有有源谐波调节器图5带有非线性负载（计算机等）的输入电流波形图5为非线性负载经有源谐波调节器调节前(a)与调节后(b)的输入电流波形比较。可以看出，这种有源谐波调节器将大大抑制谐波，提高了功率因数，同时大大地减小损耗，大大地节约
23、了能源，保障了电网线路的安全。利用该谐波调节器可全面解决电网造成的损失。 4 结束语 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。 谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。对于谐波问题，有些专家们预测“谐波未来将是电力供电系统的最大污染”为增强人们的环保意识，防患于未然，国家已制定出治理谐波的各种法律、法规，明确管理机构，实
24、施严格的监控，推广与引进“环保电气产品”，将谐波抑制在源头，尤其我国现已加入WTO，更应充分利用技术壁垒这一合理的手段，来维护自身利益，以减少公用电网污染，保证公用电网的纯净度，提高电源质量，改善生存环境，为实现社会与国民经济的可持续稳定地发展，为国防建设的日益强大提供可靠的优质电源保证。 5 参考文献1 朗文川、供电系统谐波的产生、危害及其防护对策。高电压技术2002,62 孙书敏、智力谐波危害、抑制电网污染、提高电网质量 3 IEC 61000-3-2.1995,.EMC part 3 -2 Limits for harmonic current dmission 4 孙树勤,林海雪. 干扰性负荷的供电M . 北京:中国电力出版社,1999.5 刘利宏. 治理谐波污染、提高电能质量J . 电气时代,20026 杨斌文. 电力系统中谐波的抑制方法J . 电气时代,20027 邱关源. 电路(上册) M . 北京:人民教育出版社,1982.