電力系統中諧波問題的探討

郭鳳香

（云南建源電力設計有限公司，云南 昆明 650011）

1 前言

電力系統中諧波問題日趨嚴重，諧波的存在對電力設備及絕緣會造成危害。本文介紹了諧波對金屬化膜電容器壽命的影響，并歸納出主要影響因素。

目前，電網中諧波干擾大量涌現，諧波問題日趨復雜，因此這方面課題也越來越受到研究者的重視。諧波的產生與近年來非線性設備的大量采用有很大關系，另外廣泛應用的傳統變壓器和鐵芯電抗器也會產生諧波。國外經驗表明，各種非線性電力設備容量的增長率超過電網的發電設備容量的增長率，這一事實說明諧波問題更突出。諧波的存在會影響整個電網環境，對電力設備以及絕緣造成不利影響。比如，諧波會使電廠設備絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。國內外運行經驗表明，受諧波影響而致損壞的電氣設備中，電力電容器比例最大。現在，金屬化膜電容器以其良好的自愈性能在電力系統中得到廣泛應用，因此，有必要了解諧波對金屬化膜電容器壽命的影響。

2 諧波的產生

電力系統中產生諧波的源主要來自各種非線性用電設備，例如：電力電子裝置、電弧爐、家用電器以及變壓器和鐵芯電抗器等。在電力電子裝置大量應用之前，最主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發電機，而在電力電子設備大量應用之后，后者成為最主要的諧波源。

在各種電力電子裝置中，整流設備所占的比重最大。目前，常用的整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，比如直流側采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源電壓相位大體相同，因此基波功率因數接近于1，但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。除此之外，逆變器、直流斬波器的應用也較多，這些裝置所需的直流電源主要來自整流電路，因而諧波問題非常嚴重。可以看到交流側的電流是一段段的梯形波，而直流側的電壓也含有紋波，這說明整流器在交流側和直流側都要產生高次諧波。

變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性引起的。加在變壓器上的電壓通常是正弦電壓，因此鐵芯中磁通也是按照正弦規律變化的，但是由于鐵芯磁化曲線的非線性，產生正弦磁通的勵磁電流也只能是非線性的，勵磁電流變為尖頂波，進行傅立葉分析可知，其中含有全部奇次諧波，以3次為最大。此外，還有許多諧波源，比如電視機、熒光燈、個人計算機等，它們雖然單臺功率很小，但其龐大的數量所帶來的諧波污染也十分嚴重。

3 諧波對電力設備以及絕緣的損害

電能質量指標包括頻率、電壓和波形。交流電的波形是衡量電能質量的一個重要指標，標準交流電的波形應該是正弦波，但是由于電力系統中有諧波源的存在，使電壓和電流中都含有一些諧波分量。諧波的存在對電網是一種污染，它使電力設備所處環境變化，也對周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來損害，其危害主要有：

（1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。

（2）諧波影響各種電力設備的正常工作，比如，諧波會使電機產生附加損耗、機械振動和過電壓；會使變壓器局部過熱；使電容器、電纜等設備絕緣老化、壽命縮短以致損壞。

（3）諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，加重上述（1）、（2）所帶來的危害。

（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表不準確。

由于諧波的存在會對電網造成危害，因此把諧波分量降低到容許的范圍內是保證電能質量的一項重要任務。

4 諧波對金屬化膜電容器老化的影響

金屬化膜電容器已大量應用于電力系統中，在很多情況下，比如作為并聯成套裝置的無功補償或者作為濾波器消除諧波，它都是在諧波干擾下運行，因此，研究諧波對金屬化膜電容器壽命的影響十分重要。

具有諧波分量的試驗電壓U可由式（1）表示：

式中，ψ為基波與諧波的相位差，h為諧波次數，α為諧波的峰值系數（即諧波峰值與基波峰值的比值）。

諧波的存在會改變電壓波形，這不僅取決于諧波次數和諧波的峰值，而且與式（1）中基波與諧波的相位差ψ有關。

諧波會對電力設備絕緣產生加速老化效應，在將諧波加于金屬化膜的實驗中，得出了金屬化膜的壽命數據。當諧波改變電壓波形使峰值增大時（3次諧波在ψ＝180 °、5次諧波在ψ＝0 °時電壓峰值最大），膜壽命會顯著減小，可見，電壓峰值對金屬化膜的壽命有較大影響。

5 諧波影響金屬化膜電容器的主要因素

對低壓自愈式電容器在室溫下進行了老化實驗，目的是要找出諧波影響金屬化膜電容器壽命的主要因素。實驗采用了一個可以線性調至1 000 Hz的電源，分12組進行，每組電壓為基波與某次諧波分量的疊加。為了突出諧波的作用，加速老化，選擇諧波幅值大于基波幅值（這種情況在電網中也是存在的，比如并聯諧振可將在換流器交流側的諧波放大幾倍）。

考核電容器的性能，通常以電壓均方根值為標準，國際標準規定金屬化膜電容器應能在工頻1.1倍額定電壓下長期運行，因此電壓均方根值的大小顯然是壽命的影響因素之一。電壓波斜率越大，波形越尖銳，電容器壽命也就越短，同樣第3組和第9組的比較也證明了這一點。因此，可以歸納出諧波影響金屬化膜電容器壽命的三個因素是：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。而且，進一步的研究表明，這三個因素中，電壓峰值的影響最大，均方根值的影響次之，而電壓波斜率的影響最小。

6 諧波對電網的影響

諧波對旋轉設備和變壓器的主要危害是引起附加損耗和發熱增加，此外諧波還會引起旋轉設備和變壓器振動并發出噪聲，長時間的振動會造成金屬疲勞和機械損壞。

諧波對線路的主要危害是引起附加損耗。

諧波可引起系統的電感、電容發生諧振，使諧波放大。當諧波引起系統諧振時，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起繼電保護及安全自動裝置誤動，損壞系統設備（如電力電容器、電纜、電動機等），引發系統事故，威脅電力系統的安全運行。

諧波可干擾通信設備，增加電力系統的功率損耗（如線損），使無功補償設備不能正常運行等，給系統和用戶帶來危害。

7 結束語

隨著非線性電力設備的廣泛應用，電力系統中諧波問題日趨嚴重，諧波的存在會對電力設備造成損壞，加速絕緣老化。諧波疊加后的電壓峰值對金屬化膜電容器老化有很大的影響，研究表明，對于金屬化膜電容器，諧波對其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。其中峰值對它壽命的影響最大。