電網諧波的危害及治理方法

摘 要:近年來，隨著電子技術的發展，電子器件的大量運用，電網諧波污染也開始對電子系統和生物造成危害。本文先介紹了電網諧波產生的原因，然后點明了電網諧波存在造成的危害，最后提出了幾種可以用來遏制電網諧波的方法。

關鍵詞:電網諧波諧波危害抑制方法

中圖分類號:TM711文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2011)06(b)-0112-02

The harm of harmonic wave in the power grid and management methods

Abstract:In recent years，with the development of electronic technology，electronic devices， the utilization of the harmonic wave in the power grid pollution also began to electronic systems and biological harm.This paper first introduces the causes of the harmonic wave in the power grid，then point out the existing harm caused by the harmonic wave in the power grid，and finally presents several can be used to contain the harmonic wave in the power grid method.

Keywords:harmonic wave in the power grid;Harmonic harm;Suppression method.

1 緒論

電力電子技術的發展，使得各種電子裝置在工業、交通和家庭中廣泛應用，由此產生的大量諧波的危害也日益嚴重。因此，抑制電網諧波是一個非常必要和重要的工作。在理想的情況下，電網電壓是正弦的電壓。但是在實際情況下，電網電壓的實際波形由于一些非線性負荷而偏離正弦波形，也就是說會產生諧波。非線性負荷工作的時候會持續向電源反饋諧波，從而導致電網的電壓和電流波形發生改變，功率降低，電網電能的產生、電纜傳輸和電器利用的效率降低，最后使得電能質量降低，引起電氣設備產生附加損耗，發熱，產生噪聲和振動，使絕緣器件老化，使用壽命縮短。大量的諧波通過中性線路的時候會使線路發熱，溫度升高甚至有可能發生火災。所以，作為衡量電能質量指標的諧波，為了保證電網系統的電子設備正常的工作，就必須采取必要的措施，抑制諧波，防止電網諧波產生破壞。

2 電網諧波產生的原因

那么到底什么是諧波呢，用一句話來講，諧波是指對非正弦交流量傅里葉級數分解后得到的頻率高出基波頻率N次倍的各種電量，也稱為高次諧波。即(諧波頻率=基波頻率*N，N>1)諧波是一種干擾的波，影響電網的正常工作。

通常，理想的電網系統，電壓與電流都是正弦波。在由線性元件(電容、電感和電阻)組成的簡單電路里，電流和電壓的關系成正比，電流是正弦波。然而，實際的供電系統，由于存在非線性負荷，流過負荷的電流與所加的電壓不成正比的時候，就會形成非正弦的電流。對于任意周期的波形都可以分解成為一個基頻的正弦波加上許多的諧波正弦波。這里講的諧波頻率指的是基頻的整數倍，假如基頻是50Hz，那么二次諧波為100Hz，四次諧波就是200Hz。所以，對一個電流波形來說，他可能有2次諧波，3次諧波乃至更多次數的諧波。電網諧波會使得供電的電壓波形偏離理想狀態的正弦波形。

電網諧波來自三個方面:一是發電質量不好產生的諧波，二是輸電系統和配電系統產生的諧波，三是家用電器，機器設備等其他用電設備產生的諧波。

3 電網諧波的危害

3.1 增加各種設備的損耗，降低設備效率，影響設備壽命

3.1.1 諧波使電動機產生損耗和轉矩

諧波在電動機工作的時候會產生附加的損耗和額外的轉矩。集膚效應、渦流、磁滯隨著頻率增高而增強，從而造成電動機內的鐵芯和繞組產生額外的附加損耗。雖然諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的影響不大，但是諧波產生的脈沖轉矩，則可能出現例如電機轉軸振動的問題。這樣就會導致電動機的使用壽命縮短，不能正常工作，甚至使電動機損壞。

3.1.2 諧波使輸出線路、變壓器損耗增加

電網諧波會使輸電線路的損耗增加。當輸入電網的頻率處于諧振點附近的諧振區域內的時候，輸電線路會產生絕緣擊穿。3次和3的倍數的諧波會對三角形連接的變壓器產生影響，諧波在變壓器工作的時候，在繞組中形成穩定的環流，使得繞組加熱。繞組中性點接地的時候，可能會產生3次諧波共振，使變壓器的附加損耗加大。

3.1.3 諧波使電容器發生故障

當電網中存在著高次諧波的時候通過電容器的電流也會變得更大，這樣就使電容器電能損耗功率增大。對于膜紙介質電容器，雖然規定了有諧波的時候損耗功率是無諧波的時候損耗功率的1.38倍;同樣，對于全膜電容器規定有諧波時的損耗功率是無諧波的時候的1.43倍，但是如果電網諧波含量很高，超出了電容允許的條件，就會使得電容器出現過電流和過負荷，從而使電容器發生異常，加速發熱，最終使得絕緣介質會加速老化。當線路中存在并聯電容器組的時候，這種現象會更加嚴重，諧波波形會擴大。諧波會使電壓呈現尖頂波形，尖頂波形會誘發電容器局部放電，是絕緣物質加速老化的一個主要原因。一般來說，當電壓升高10%，就會使電容器的壽命縮短一半。因此，當波形比較嚴重的時候，還會使電容器擊穿，爆炸，從而使電容器報廢。

3.1.4 對用電設備的影響

諧波會使電視機和計算機的圖形產生畸變，使畫面的亮度發生波動變化，使機器內部元件出現過熱的現象，使計算機系統出現錯誤甚至死機。對生活中使用的熒光燈和汞燈來說，他們會因為在一些因素的共同作用下，產生諧波頻率下的諧振，使熒光燈和汞燈內的鎮流器以及電容器因為過熱而壞掉。對采用晶閘管的一些變頻裝置，電網諧波則可能使晶閘管出現錯誤動作，或者使控制回路出現錯誤觸發。

3.2 諧波影響人和其他動物的身體健康

人們都知道，我們生活中充滿了各種各樣的波，人和動物自身的生物波，廣播電視的電磁波，生活中各種光線的光波，聲音發出的音波，等其他各種波。這些波有的對人體有好處，有的對人體有害。從人和動物的生理學來說，當生物體內的細胞在受到刺激或者出于興奮時，會在細胞膜上發生快速的電波動可逆翻轉，如果該頻率與諧波頻率相近，則電網諧波產生的電磁輻射就會對生物體的腦磁場和心磁場產生影響。

4 治理電網諧波的方法

電網諧波關系到電力公司的切身利益，還關系到供電部門和廣大消費者得利益。因此他是衡量供電系統供電質量的一個重要指標。為了減少諧波的危害，專家們經過多年的研究，開發了許多抑制諧波的方法。

4.1 使用無源濾波裝置

現在比較常用的無源濾波器有以下幾種:單調諧無源濾波器、高通無源濾波器和自動調諧無源濾波器。這其中，單調諧無源濾波器是用的最多的無源濾波器，它是利用串聯的R、L、C構成的，在諧波源確定的情況下，施工員只需要將濾波器諧振次數簡單設定成與需要濾除的諧波的次數等大，利用串聯諧振電路對于該頻率的諧波的呈零阻抗，就可以阻止該次諧波輸入電網，達到濾除諧波的作用(如圖1）。

4.2 使用有源濾波裝置

首先將有源濾波器安裝在諧波負荷處，具體情況見下圖圖2。諧波負荷不僅吸取基波電流，還向系統輸入高次的諧波電流。假如電源的電壓是正弦三相系統，則濾波器補償的電流應該與負荷高次諧波電流的波形大小相同而方向剛好相反。通過這種方法，利用濾波器中的逆變器跟蹤輸出等量大小的反向補償電流，那么由負荷所產生的諧波電流就會被濾波器輸入的電流抵消，這樣就不會注入系統使電網損害。如果能夠做到補償的電流的大小等于基波無功量加上諧波量的和，那么系統電源就只需要提供基波有功量。有源濾波器與交流電無源濾波器相比，前者具有高度的可控性和快速的響應性，它可以自動跟蹤補償各種諧波，可以抑制閃變、自動補償無功，且能做到一機多能。無源濾波器在性價比上更加劃算，濾波性能不受到系統阻抗的影響，這樣就避免了與系統阻抗發生諧振的可能性。(我感覺是有源濾波的特點)在國外發達國家高低壓有源濾波技術已經應用于實踐，我國只能運用到低壓有源濾波當中。

4.3 加大換流裝置脈沖數

加大換流裝置的脈沖數，可以消除較大的低次諧波。對于電網來說，整流裝置是它主要的諧波源之一，電流在其交流側產生諧波次數為pk±1次的諧波，在直流側則產生pk次的諧波(p為脈動數，k為整數)，諧波電流的有效值與諧波次數是反比的關系。利用多脈沖組合成整流裝置，如果整流器二次側的整流脈沖次數越多，那么次數相對較低的諧波量被消去的就越多。故增加換流器的脈沖數，可以消除較大的低次諧波。通常增加換流脈沖數的方法有兩種，一種是利用特殊的接線方法，使換流器形成多相流。還有一種方法是將相數少的換流器聯接形成等效的換流器。

4.4 減少并聯電容器組的放大效應

并聯電容器組在電網中起著改善功率因數和調節電壓的作用，當在并聯電容器組中存在諧波時，在多種因素的作用下，電容器組會對諧波起著放大的作用，嚴重時發生的諧振會危及電容器自身及其附近其他用電設備的安全。一般來說，在電容器回路中，使用串聯電抗器或者將電容器組的一些線路改為濾波器或者設定電容器組的最大容量等措施來抑制諧波的放大。

4.5 使用脈寬調制技術

脈寬調制法的設計思想是改變PWM輸出波形的多個轉換時刻，要求保證四分之一的波形的對稱性。設計者可以根據輸出波形的傅立葉展開式，使要消除的電網諧波的幅值為零、電網基波幅值為已經給定的量，這樣就可以達到消除部分諧波并且控制電網基波幅值的設計要求，現階段使用的PWM技術包括以下幾種:最優脈寬調制、Δ調制和跟蹤型PWM調制等。當然，還有很多種消除諧波的方法，在諧波產生處加濾波裝置;增加限流裝置或加串聯電抗器;選擇合適的供電電壓，保證三相電壓平衡，這些都可以降低諧波的影響。總之，我們要做的就是，要盡量限制諧波的發射量，要提高設備抗諧波的能力，再盡量做到消除諧波。

5 結語

電網諧波的治理是一個系統的工程，它不僅關系到供電部門，也涉及到用戶和設備制造商。在治理電網諧波的時候，應該充分考慮到系統里各種因素的影響，采取合適的方法，選擇合理有效的方法治理諧波。當然，要消除諧波的污染，不僅僅需要電力系統發展高效的濾波方法，還需要依靠社會的努力，采取有效地抑制諧波的方法，減少諧波輸入電網，從而減少諧波污染帶來的損失，提高經濟效益，才能真保證電網的強力運行，造福于社會。

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