谐波的产生、危害及治理方法

谐波的产生、危害及治理方法

汕头市众业达电气股份有限公司黄宏龙

摘耍：本文阐述了电力谐波是如何产生的，主要的谐波源有哪些，谐波对供电设备，供电线路，用电设备造成的危害。介绍了谐波治理的方法以及无源滤波、有源滤波、混合型滤波各自的特点。阐述谐波治理的重要性。

关键词：谐波，谐波危害，谐波治理，有源滤波，无源滤波

引言：

电力系统的谐波问题近几年来在世界范围内得到了广泛的关注。国际电工委员会（IEC），国际大电网会议（CIGRE），国际供电会议（CIRED）及美国电气和电子工程师学会（IEEE）等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并制定了限制电力系统谐波的相关标准。随着电子技术的发展，大功率可控硅SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、电力晶体管GTR、IGBT等技术的发展和广泛应用，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。谐波最早发现在20世纪20年代，50年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、供、用电设备都造成严重影响，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。

1、谐波

1)、谐波的定义

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了基波频率的电量，其余大于基波频率的电流产生的电量，称为谐波。

谐波次数是谐波频率与基波频率（n=fn/f1）的比值。通俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的n即是谐波次数。一般指从2次到50次范围，如5次谐波电压（电流）的频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超过13次的谐波称高次谐波。

谐波是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波，主要非线性负载有UPS、通信电源/开关电源、整流器、变频器、感应电炉、电子计算机、充电器。

2、产生谐波的谐波源

1)、发电机

由于发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。

2)、输配电系统

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，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、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，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%。

3)、用电设备

随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、荧光灯等等都是非线性负载。

开关电源变频调速器充电器荧光灯

4)、变流设备

整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，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，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

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，也还有11次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图

开关电源负载整流充电器

变频调速器 UPS整流器

3、谐波的危害

1)、浪费电能的危害

浪费电能，增加电费支出。

2)、降低系统容量的危害

降低变压器的容量, 降低断路器的容量, 降低电缆的容量, 降低了电网的容量。

3)、加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备。

4)、引起局部并联谐振或串联谐振，导致无功补偿电容柜补偿电容、保护元器件及母排烧毁，具有重大安全隐患。

5)、增加变压器铜损、铁损与杂损，使变压器过热、缩短使用寿命。

6)、增加电缆线路损耗、导致电缆过热、缩短使用寿命。

7)、危害生产安全与稳定

引发控制设备、继电保护装置误动作，烧毁设备或误跳闸停产, 影响机器正常运行，降低产品质量和产量, 干扰通信系统，甚至造成计算机无法正常工作，系统崩溃。

4、治理谐波的必要性及效益

1)、节约电能，减少电费支出。

2)、降低配电系统扩容投资。

3)、延长设备使用寿命，减少设备采购投资。

4)、保持生产的连续性和稳定性，保证产品质量，提升产量。

5)、绿色电能，保护环境。

5、谐波治理的主要方法

针对谐波治理,主要采用无源滤波和有源滤波两种方法。

6、性能价格比较

有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反应动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源。

一般无源滤波指通过电感和电容的匹配（f=1/2π√LC）对某次谐波并联低阻（调谐滤波）状态,给某次谐波电流构成一个低阻态通路。这样谐波电流就不

会流入系统。无源滤波的优点为成本低，运行稳定，技术相对成熟，容量大。对基波的无功补偿也是一定的作用。

缺点为谐波滤除率一般只有70％，设计补偿装置是要考虑系统的阻抗，不然容易跟供电系统谐振，严重时将烧毁设备。目前在容量大且要求补偿细致的地方一般使用有源加无源混合型，即无源进行大容量的滤波补偿，有源进行微调。

7、结束语

随着我国改革开放政策的实施和国民经济高速发展，直流输电和柔性交流输电技术被大量采用，铁道、化工、冶金、煤炭等工业部门中大量应用电力电子设备，节能工作中大量应用电力电子技术，使得电力系统的谐波问题日益严重，从而必须对谐波的管理、监测和治理工作加以重视。

参考文献

[1]郑侠．选煤厂电网谐波抑制的有效措施[J]．淮南

职业技术学院学报，2005，5(1)：63-65．

[2] 邵勇，刘润华．串联混合型有源电力滤波器的实验

研究[J]．电工技术，2002(10)：33．35．

作者姓名: 黄宏龙

学历：大学本科

职称：机电工程师

研究方向：工厂配电自动化设计

工作单位：汕头市众业达电气股份有限公司