关于电网谐波的危害及治理

目录

一、谐波的危害及治理标准

（一）谐波产生的原理

（二）谐波的危害

（三）谐波治理的标准

二、谐波的监测及管理方法

（一）谐波监测设备

（二）谐波管理方法

三、谐波的治理

（一）滤波设备简介

（二）谐波治理的过程及常见问题（三）滤波装置的效果

四、亿能电气滤波设备的应用

（一）公司简介

（二）科研力量

（三）产品特点

（四）工程应用

电网谐波治理的探索

——无锡亿能电气有限公司一、谐波的危害及治理谐波的标准

（一）谐波产生的原理

供电系统谐波产生主要有两类负荷：

电力电子设备（变流设备）和电弧电磁。

电力电子设备是由于电路中强迫换流而产生谐波，比如三相全波整流。这是应用最多产生谐波的电路或设备。

变压器设计不当和电弧炉也产生谐波。

冶金、石油、半导体、电气化铁道、印刷等行业是谐波的产生大户。

常用工业设备——整流直流电源，变频电源。如电解铝厂的电解槽设备，钢厂轧钢机、电弧炉，直流镀膜设备，半导体材料生产设

备，中频熔炼炉等都是产生谐波的设备，其产生的谐波对供电系统有不可忽视的破坏作用。

一般变流装置的原理结构为三相交—直整流、交—直—交变频和交—交变频（较少应用）。

大量应用的为整流和交-直交变频设备。

整流设备 变频设备

这类设备在三相电源交流侧产生的特征谐波电流次数由整流脉波数P 决定：

六脉波整流： h=6P ±1 P=1,2,3,……

十二脉波整流: h=12P ±1 P=1,2,3,……

则可以确定，产生的特征谐波主要为5、7、11和13次谐波。 谐波次数越高，谐波含量越小。所以更高次的谐波可忽略。 根据这个原理，可以设计制造高脉波整流设备，以减少某些谐波含量。

十二脉波整流电路结构

变流设备在产生谐波的同时，使设备运行功率因数也比较低，影响供电质量。一般此类设备的功率因数在0.7左右。

（二）谐波的危害

谐波危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下

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+

几个方面：

1.对供配电线路的危害

（1）影响线路的稳定运行－－供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对谐波含量较高时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

（2）影响电网的质量－－电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

2. 对电力设备的危害

（1）对电力电容器的危害

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全

膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

（2）对电力变压器的危害

谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器

的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。

(3）对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

（4）对用电设备的危害

对电动机的危害：谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。（5）对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断

路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，

额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

对于熔断器而言，一般的熔断器是由于发热导致熔片熔断的.熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感；如果谐波含量较大，熔断器易爆裂。

（6）对弱电系统设备的干扰

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

（7）影响电力测量的准确性

目前采用的电力测量仪表中有电磁型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。

（三）谐波治理的标准

随着1994年3月1日国家技术监督局发布《电能质量公用电网

谐波》——GB/T14549-93国家标准的颁布实施，以法律的形式规定了供电系统的谐波限制及治理标准。电力部门对谐波的危害和治理的认识也得到进一步提高，积极创造条件对供电系统的谐波进行综合治理。

1、国家标准谐波电压限制

国家标准GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见下表：

公用电网谐波电压限值（相电压）

2、国家标准谐波电流允许值

国标中规定在核定基准短路容量下注入系统公共接点的各次谐波电流允许值如下表所示：

注入公共连接点的谐波电流允许值

二、谐波监测及管理方法

（一）谐波测试仪器简介

1、瑞士的“LEM-2060”，主要用于低压系统的电能质量检测，其电压量程为：700V AC，电流的量程为0-2000A，可以直接在低压400V 系统中测量。该仪器只能对单相进行测量，要测量三相的参数时，只能分别进行。同时，也正因为该仪器的电流量程达到2000A，因此，在小电流时，即在5A以下时，仪器的灵敏度就较差，反映不出所测试系统的电能质量各个参数。

2、日本富士电机公司的新型电能计测终端power satellite II（简称PS-2）进行测量记录采样数据。“PS-2”可以对三相电压/电流进行监测，利用相关的软件对监测并记录的数据进行综合分析。该设备带有LAN(10Base),所以可以和各种带有网络的设备相连，实现远距离操作、监视和数据采集。也就是说，该设备一旦安装在10KV变电站的

主变处，给出一个网址，就可以在任何一台可以上网的电脑上实现对电网电能质量的监测和数据采集，可以远距离了解所监测点的用电情况，即电能质量。非常方便。不仅可以了解所监测点的谐波数据、波形，含量，还可以清晰地看到该系统的有功功率、无功功率等电能参数。

该仪器在二次侧进行测量，使用方便，测量准确。唯一的缺点是比较重，携带不方便。适用于安装在固定的地点。

3、“日置3197”，该仪器是目前市场上最理想的便携式PQA，能既方便的捕获电流/电压的各种参数，测量并记录功率和功率因数等，我们也选择在二次侧监测，这样既方便又安全，避开了一次的大电流，其电压量程是600V,电流量程是0-5A,只要输入电流变比，就能清晰地显示出所测的电流及其各项参数。该仪器的特点是携带方便，使用也方便，其随机的电池可以连续使用7个小时。其测量的数据可以输送到电脑上进行进一步的分析，为制定一个完整可行的滤波方案提供切实可用的数据和实时波形。

4、清华大学的“Hi-II型供电系统谐波检测仪”是一台轻便适用的检测仪器，它也同样具有上述的各种仪器的特点，测量准确，方便，参数齐全等。

（二）谐波测试及管理方法（举例）

1、监测情况简介

浙江恒信机械有限公司使用的是规格为0.5T的中频炉，没有装设任何消谐滤波装置。

为了评估该厂的谐波情况，监测点选在10kV侧高压计量柜，采集了一定时间的10 kV进线的Uab、Ubc和Uca三个线电压以及A相和C 相电流，采样频率为4800Hz，每隔1min记录一次，每次记录时长为0.25s，分析结果取95%的概率值。

测量时间为3月7日16:16到3月8日07:31，分析所用数据选择谐波量最大的时间段，为3月8日04:31到06:51。

2、谐波标准简介

本次测量主要依据国家标准GB/T 14549-1993《电能质量-公用电网谐波》。

公用电网谐波电压限值见表1。

表1 公用电网谐波电压(相电压)限值

公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2的谐波电流值的换算应按照公式（1）和公式（2）。

表2 公用电网谐波电流限值

I h=I hp×S k1/S k2 (1)

式中：S k1——公共连接点的最小短路容量，MV A；

S k2——基准短路容量，MV A；

I hp——表2中的第h次谐波电流允许值，A；

I h——短路容量为S k1时的第h次谐波电流允许值。

在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值（I hi）按公式2计算：

I hi=I h×(S i/S t)1/α (2)

式中：I h——按公式1换算的第h次谐波电流允许值，A；

S i——第i个用户的用电协议容量，MV A；

S t——公共连接点的供电设备容量，MV A；

α——相位叠加系数，按国标表3取值。

表3 相位叠加系数

3、监测结果及分析

（1）监测所得波形

（2）数据分析

所有分析结果为3月8日04:31到06:51时间段的平均值，其中谐波分析的每个数据分析段为960个采样点（即10个周期，频率分辨率为5Hz）。

有效值：

视在功率：373.08kV A。

有功功率：305.44kW。

无功功率：214.2kVar。

功率因素：0.82。

总谐波畸变率：

各次电压电流谐波含有率见表4。

表4 各次电压和电流谐波含有率

由表4可知谐波电压以5、7、11、13、17、19、23次为主，谐波电压THD和5次谐波电压均已超过国家标准；谐波电流以5、7、11、13、17、19、23次为主，其中5、7、11、13次谐波电流最为突出。

各次数谐波电流有效值见表5。

表5 各次谐波电流有效值

为了判断此处的谐波电流是否超标，需要估计此处的短路容量以换算与国标相比的电流值。同时应根据最小运行方式下通过用户协议容量和公共连接点供电容量来决定此用户的谐波电流允许值，所使用的数据如表6所示。

表6 谐波电流计算所使用的数据

由表6可算得，公式1中的S k1/S k2=1.3，故国标10kV的谐波电流限值乘以 1.3就是此公共连接点的谐波电流限值；公式2中的S i/S t=0.015873，根据表3的相位叠加系数再换算一下，便可得到用户侧的谐波电流限制，如表7所示。

表7 换算国标与实际电流谐波情况对比表

由表6可知，A、C相电流中的5、7、11次谐波电流以及A相的

13次和C 相的17次谐波电流均超过了国家标准。

三、谐波的治理

（一）滤波装置简介：

供电系统存在谐波就应该进行治理。一般都采用装设无源滤波器（FC ）的技术来达到滤波的目的。装设滤波器的同时可以对供电系统进行功率因数的补偿，一举两得。

常用滤波器（FC ）有多种结构，如下图所示。

单调谐滤波器由于其结构简单、维护方便及价格较低而被广泛采用。

低压（400V ）滤波补偿装置

R R

图1 常用滤波补偿支路及其接线方式

(1)单调谐滤波支路(2)二阶减幅型滤波支路(3)C 型滤波支路

(1)

（2）

(3)