谐波的危害及治理
谐波的危害及治理
谐波对供电系统的危害及治理
中铝贵州分公司第一铝矿汪元江
[摘要]
[关键词]
1、引言
一个理想的电力系统是以单一恒定频率与规定幅值的稳定电压供电的。但实际上，由于近年来随着科学技术的不断发展，在电力系统中大功率整流设备和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系统本身存在的非线性元件等使得系统中的电压波形畸变越来越严重，对电力系统造成了很大的危害。因此，要实现对电网谐波的综合治理，就必须搞清楚谐波的来源、危害及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而改善供电系统供电质量和确保系统的安全经济运行。
2、谐波产生的原因
在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为l00Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次，n 为整数，例如5、7、11、13、17、19等。变频器主要产生5、7次谐波。
3、电网谐波的来源
3.1 发电源产生谐波，由于发电机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等其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但对电网影响很小。
3.2 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，磁化曲线的非线性特性，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0.5%。
3.3 整流设备产生谐波，近年来，由于晶闸管整流装置在电力机车、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。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式
整流电路为最多，它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，还有11次及以上奇次谐波电流。据统计表明，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。此外，变频装置主要产生5次和7次谐波，对电网造成的危害也越来越大。
4、谐波对供电系统的危害
4.1增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。
4.2谐波对电机的危害主要是产生附加损耗和脉冲转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是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的。试验表明，在额定出力下持续承受为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的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题，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。
4.3谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及以上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。
4.4由于输电线路阻抗的频率特性，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。在电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，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。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，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，并联谐振所产生的谐波过电压和过电流对用电设备的危害性较大。当注入电网的谐波频率在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大,在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。
4.5随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗
增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，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，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
4.6 谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(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上谐波的干扰，则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果更严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。
4.7由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波分量时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。
4.8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，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)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。
4.9谐波还会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使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来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
5、谐波的分析计算
当电力系统中存在谐波源时，系统中各个节点电压和支路电流均会有高次谐波，为了确定谐波电压和谐波电流在供电系统中的分布情况，需要对谐波阻抗构成的等效电路进行潮流计算。电力系统谐波潮流计算，就是通过求解网络方程In=YnUn(n=3、5、7……，n为谐波次数；In为谐波源负荷注入电网的n次谐波电流列向量；Yn为电网的n次谐波导纳阵；Un 为电网中各节点母线的n次谐波电压列向量)，求得电网中各节点（母线）的谐波电压，进而求得各支路中的谐波电流。因此，进行谐波潮流计算，必须先确定电网元件的谐波阻抗。
5.1系统中各类元件的谐波阻抗计算
5.1.1同步发电机的谐波阻抗。理想的发电机的电势是纯正弦的，不含有高次谐波，其发电机电势只存在于基波网络。在高次谐波网络里，由于发电机谐波电势很小，此时可视发电机谐波电势为零。故其等值电路为连接机端与中性点的谐波电抗，根据XGn=nXG1（式中XG1为基波时发电机的零序、正序或负序电抗，由该次谐波的序特性决定），如果需要计算网络损耗，对于发电机，可将其阻抗角按85度估计，对于输电线、变压器和用电负荷等元
件的等值电路，可将其阻抗角按75度估算。
5.1.2变压器的谐波阻抗。电力系统谐波的幅值常是随着频率的升高而衰减，故在基波潮流计算尤其是高压电网中，常忽略变压器的激磁支路和匝间电容。在计算谐波电流时，只考虑变压器的漏抗，且认为与谐波次数所认定的频率成正比。在高次谐波的作用下，绕组内部的集肤效应和临近效应增大，这时变压器的电阻大致与谐波次数的平方成正比，此时的变压器谐波阻抗为： Zn=SQRT(n)RT1+jnXT1，其中RT1为基波时变压器的电阻。
5.1.3输电线路的谐波阻抗。输电线路是具有均匀分布参数的电路，可看作是三相对称的。在计及分布特性的情况下，则：ZLn=Znsh(rnl) ，YLn/2=(chrnl-1)/(Znshrnl)，Zn 和Rn分别为对应于该次谐波时线路的谐波阻抗和传播常数，其中Zn=sqrt(Z0n/Y0n)，Rn=sqrt(Z0nYon) Z0N和Y0N分别为该次谐波时输电线路单位长度的阻抗和导纳。
5.1.4 负荷的谐波阻抗。在谐波潮流计算时，基波部分可按节点注入功率看待，而在谐波网络中将它看作是恒定阻抗，近似地可认为综合负荷为一等值电动机。其综合负荷的谐波等值阻抗值为：ZN=SQRT（N）R1+JNX1，其中R1、X1为基波等值电动机的负序电阻、电抗，其值可由该节点的基波电压、功率值经换算求得。零序电流一般不会进入负荷，因而在零序性的高次谐波网络里，可忽略负荷支路。
5.2供电系统中无容性元件的谐波潮流计算
5.2.1对称系统的谐波潮流计算，由于对称系统中三相情况相同，因此可以按一相情况来计算。当确定了整流装置任一侧总谐波电流后，结合谐波等效电路，就可以确定系统网络中任一支路的谐波电流分布,然后再根据节点谐波电压和节点注入谐波电流的关系In=YnUn，就可以确定各处的节点谐波电压,进而可求出潮流功率。其计算步骤如下： Lt；1gt；根据所给运行条件，以通常的潮流计算方法求解基波潮流。
Lt；2gt；按谐波源工作条件，确定其它有关参数及需要计算的谐波次数。
Lt；3gt；计算各元件谐波参数，形成各次谐波网络节点导纳矩阵，并计算相应谐波网络的注入电流。
Lt；4gt；由式In=YnUn确定各节点的谐波电压，并计算各支路谐波功率。
其中，应注意有谐波仪测出的谐波注入电流，其相角是相对于基波电流的相角，故求出基波电流后，需将谐波注入电流相角进行修正。同样，系统节点的功率是基波功率与谐波功率之和，故基波注入功率也应进行修正。但线性负荷处的基波注入功率不必修正。
5.2.2在不对称系统中，三相情况各不相同，而且相互影响，因此必须同时进行三相系统的计算。不对称网络潮流的计算可将网络分为各次谐波网络，先计算基波网络，求得各节点基波电压后，计算各谐波潮流的注入电流，再按此谐波注入电流解算各次谐波的网络方程，求出各节点的各次谐波电压。
5.3供电系统中有容性元件存在时的谐波潮流计算，当供电系统中有容性元件存在时，电容器对整流装置的换相过程和电压电流波形都有影响。一般在基波频率下，感抗和容抗支路的参数在数值上相差甚大，不致产生谐振现象，但整流装置的一次非正弦回路，可以看成是几个不同频率和振幅的正弦电势在回路中分别作用的综合结果，因感抗频率特性与容抗频率特性刚好相反，有可能在某次谐波下两者数值相近，发生谐振现象。故此时除了进行正常
的谐波潮流计算外，还要根据各支路谐波阻抗的性质和大小，来检验有无谐振。
6、改善谐波的方法
针对谐波对供电系统的危害，人们想出了各种方法对谐波进行治理和改善，国家电力管理部门也在1984年对谐波含量作出了规定，对于0.4KV电压，谐波畸变率不能大于5%；6～10KV电压，谐波畸变率不能大于4%。因此，我们可用以下几种方法对电源中的谐波进行改善。
6.1提升功率因数cosф是最常用，也是配电系统中必不可少的方法，它主要是把电容器并联在供电系统中，利用电容的移相作用来完成。同时，还利用电容器端电压不能突变这一特性，对畸变波形实施滤波，达到消除谐波的目的。
6.2利用电感元件和电容元件构成的LC滤波器，对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的LC滤波器难以滤除频率较低、幅度较大的畸变波。
6.3利用时值滤波器，市场上又叫节电器、节电王等，它是采用高速提取技术，将谐波成分进行分离和采集，经编程的时序来暂存和释放，因采集和释放不是同时运作的，所以整体单元形成安全隔离，它的工作速率高于50HZ许多倍。所以，滤除畸变波形的效果比较令人满意。
7、结束语
送审论文
谐波对供电系统的危害及治理
中铝贵州分公司第一铝矿
汪元江
二00八年九月十五日