2018浅谈电力系统谐波的危害及其治理措施

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　　摘要：随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，电网中的谐波含量不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定运行构成潜在的威胁，电力谐波干扰导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，电力谐波已成为电力系统的一大公害，严重威胁着电力系统和用电设备的正常运行。因而了解谐波产生的原因及危害，研究谐波的治理措施，对改善供电质量和确保电力系统安全运行有着重要的意义。本文通过详细分析电力系统谐波的危害及其治理措施，对于研究电力系统谐波的相关问题具有一定的指导价值。
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　　关键词：电力系统；谐波；危害；治理
　　
　　分类号：F407.61文献标识码：A-E 文章编号：2095-2104（2011）12-082―01
　　
　　引言
　　 随着人们生活水平的提高，在人们对电能需求量日益增加的同时，对供电质量的要求也越来越高。近年来，人们常在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。由于电气设备越来越多地采用了高效节能新技术，同时出现的非线性负荷，也产生了大量的谐波电流。此外，大量的电力电子设备在给人们生活提供便利的同时，也导致大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。因而了解谐波产生的机理，研究消除电力系统中的谐波问题，对于改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。基于上述背景，本文主要就电力系统谐波的危害及其治理措施做一点初浅的探讨。
　　一、电力系统谐波
　　 在一个理想的交流电网中，各相电压随时间作周期性变化，并且呈正弦波形，用电企业都非常希望电压保持理想正弦波形。但是实际上由于某些具有非线性特性的电网元件的影响，使电网电压偏离正弦波形。谐波主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因此发生畸变，谐波电流注入到电力系统中，这些非线性设备就成为电力系统的谐波源。一般来说，电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。电力系统中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，主要表现为引起电动机、变压器、电容器和输电线路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，缩短使用寿命，甚至遭到损坏；降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性。
　　二、电力系统谐波的危害分析
　　 通过上述的分析可以发现，谐波会使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，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。同时，供配电系统中的谐波电压和电流，会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动，破坏微机保护、综合自动化装置，还会使仪表和电能计量出现较大误差，谐波如果不经过治理直接进入上级电网，将会给电网带来严重的谐波污染。笔者通过总结发现，电力系统谐波的危害主要体现在以下几个方面：
　　（一）对供配电线路的危害
　　 电力系统谐波供配电线路的危害主要体现在以下几个方面：（1）影响线路的安全运行。三相配电线路中，相线上大量的三次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，使线路过热甚至发生火灾。还会因肌肤效应造成线路的电阻变大，线损也相应增加。（2）对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。同时，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路。（3）对通信线路产生干扰。在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。
　　（二）对电力设备的危害
　　 电力系统谐波对电力设备的危害主要体现在以下几个方面：（1）谐波会使电容器损耗功率增加，导致电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化，也会使其产生机械振动并发出噪声，长期的振动会造成金属疲劳及机械损坏并产生谐波过电压。（2）谐波会增大断路器的铁耗使其发热，从而降低其遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，使其产生误动作，甚至损坏断路器。（3）谐波会增大变压器的铁损和铜损，从而通过增加波形畸变增加铁心中的磁滞损耗。同时电力谐波也会导致变压器的外层紧固件发热。此外，谐波还能增大变压器的噪声，使其发出刺耳的金属声。（4）对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。
　　（三）对用电设备的危害
　　 电力系统谐波对用电设备的危害主要体现在以下几个方面：（1）谐波严重影响电力系统的运行，会导致某些不正常的工作状态。超高压长距离输电线，较大的谐波电流会使电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，造成事故。（2）谐波电流通过电容耦合、电磁感应、电气传导等方式，造成通讯线的干扰，还影响通话的清晰度；更严重的是，如果高次谐波频率接近载波频率时，还会产生谐振。（3）增加电动机的附加损耗，降低机械效率，功率因数下降，有效转矩减小，严重时使电动机过热。同时，影响断路器的使用性能。断路器的额定电流会因谐波而降低，产生误动作。（4）导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。同时，对邻近的通信系统产生干扰，产生感应电磁场，降低通信质量。（5）电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。
　　（四）对电力电容器的影响
　　 毋庸置疑，由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，当谐波存在于电网中时，投入电容后其端电压就会增大，导致电容器的电流增大最终增大电容损耗功率，如果谐波含量超过电容允许的条件，就会造成电容器异常发热，从而迅速老化绝缘介质。当谐波电流流经变压器时会导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会使铁损增加，还可导致变压器的基波负载容量下降，效率降低以及变压器铁芯振动，噪声增加寿命缩短；谐波电流和电压会造成电动机铁损和铜损的增加引起额外温升，导致电动机效率降低。此外，电容器会放大谐波，增大谐波对供配电系统的影响；在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，会引起额外温升，减小额定载流量，引发导体绝缘破坏或烧毁，严重时还会造成设备损坏，危及人身安全。
　　三、电力系统谐波的治理措施
　　 鉴于谐波存在多方面的危害，对电力系统安全生产和生活存在很大隐患，根据国家对谐波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或补偿已产生的谐波尤为重要。要消除谐波污染，除了大力发展高效的滤波措施外，还必须在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。笔者认为，在电力系统中，可以采取以下方式消除或抑制谐波危害的防范措施。
　　（一）在电力系统中广泛使用滤波器
   　　 （1）无源滤波器。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。以最常用的单调谐滤波器为例，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，从而达到消除谐波的目的。可见，无源滤波器是改变其在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定的供电系统，能够将谐波电流大部分吸收。
　　 （2）有源滤波器。有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它实际上就是一个理想谐波源，针对系统谐波相位，大小，即时产生与谐波反相的谐波注入系统以抵消该次谐波，达到滤波的目的。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波朝着改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
　　（二）合理选择变压器和电容器
　　 （1）正确合理地选择变压器的接线方式，能阻止不平衡电流和3N次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里，不平衡电流和3N次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有裕量。在电力系统设计中一般应保证变压器负荷率在70%～80%，该裕量可防范谐波引起的变压器发热危害。
　　 （2）在电网中并联电容器组，可以起到改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。根据监测出来的电网谐波情况选择电抗器的百分电抗值，含有3次谐波配置13%的电抗器，含有5次谐波配置6%-8%的电抗器，4.5%-6%的电抗器可以覆盖7次以上谐波。应注意的是，应按检测出来的谐波特性选择电抗器，否则不但不能抑制谐波，反而会使谐波扩大。
　　（三）降低谐波源的谐波含量
　　 降低谐波源的谐波含量，也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用，具体来说，有以下二种方式：
　　 （1）增加整流器的脉动数。高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或34相。当采用12相整流时，高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。同时，采用脉宽调制(PWM)技术，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。
　　 （2）加装静止无功补偿装置。快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
　　（四）其它治理措施
　　 （1）增加变压器的容量，减少回路的阻抗。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流流过，因此，可采用提高变压器容量，加大电缆截面积，减少回路阻抗的方式来降低谐波的影响，但此种方式不是从根本上消除谐波，掩盖了问题，增加了供电系统的隐患。
　　 （2）改善供电系统及环境。对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级，尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。此外，对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
　　四、总结
　　 综上所述，由于各种电力电子装置的迅速应用和发展，使得公用电网的谐波污染日趋严重，给供配电线路、电力设备等带来危害，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。随着我国电能质量治理工作的深入开展，综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题，是电力企业当前面临的一大课题。针对这一课题深入研究，在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境，减少能耗，提高电能利用率。
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