供電系統諧波的危害及其防護對策

樸偉利

【摘要】諧波在供電系統中的存在是必然的，也是長期治理的對象。隨著半導體電子電力元器件的廣泛應用，電氣設備產生的諧波越來越嚴重。諧波首先是增加了電網中電氣設備的損耗，并減少一些設備的壽命，嚴重時還會對通信設備產生誤操作，對電能的計量裝置產生影響，干擾了正常的收費，造成收費不公平等等，在治理措施中，除了嚴格按照國家標準外，還可以采取提高換流裝置的相數和增加動態無功率補償裝置。本文簡單介紹了諧波產生的原因和一些對策，著重分析了諧波對電網設備造成的損害。

【關鍵詞】供電系統：諧波；損耗；對策

【中圖分類號】TM72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0046-01

一、諧波產生的原因

諧波的出現在供電系統中是必然的，電能從產生、傳輸和變換使用等各個環節都會產生諧波。但是通常在發電環節我們可以采取一定的措施，認為發電機提供的是具有基波頻率的正弦波電壓，配電系統中的諧波多認為是其他環節產生的。諧波的產生主要是在轉換和使用過程中的一些具有非線性特性的電氣設備所產生的，這里主要分為三類：一是主要以具有非線性特性的電弧為工作介質的電氣設備，例如氣體放電燈、煉鋼電弧爐和交流弧焊接機等等；二是具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備，主要有變壓器、電抗器等等電氣設備；三是以電力電子元器件為基礎的開關電源，包括整流設備、逆變器、變頻器等等。這些電氣設備在工業生產、開礦和日常生活中經常用到。這些設備即使在電網中獲得的電壓是正弦波，但是由于其負荷端的設備的電流是隨著非線性的電壓和電流流過設備的，從設備出來的電流就是非線性的，而這些非線性的電流最后匯人供電系統，導致電網電壓出現嚴重失真。而諧波也分為穩定諧波和波動諧波，穩定諧波產生的振幅并不隨時間變化，而波動諧波會隨著時間發生變化。電網中的設備總是在增加，產生的諧波振幅越來越大，最終影響到電網中電氣設備的正常使用。電氣設備產生的諧波也是供電系統中諧波最終的來源。

二、諧波給配電系統造成的危害

諧波在配電系統中一直都是存在的，但是以前人們很少注意到它的危害，一方面過去的電氣設備對電網的供電質量要求不高，尤其是沒有半導體設備的時代；另一方面，因為沒有半導體設備，因此產生諧波主要設備是變壓器和以電弧為工作介質的設備，產生的諧波并不嚴重。但是隨著電力電子進入半導體時代，各種以半導體為基礎的開關電源大量應用，因此產生諧波的振幅越來越大，逐漸影響到了電氣設備的正常使用。下面分析一下諧波給供電系統造成的危害。

（一）增加整個供電系統的附加損耗

諧波的產生將對整個供電系統產生影響，尤其是增加系統的附加損耗，主要包括旋轉電機、變壓器、輸電線路和電容電器。首先，諧波對旋轉電機的危害主要包括增加損耗和轉矩。由于集膚效應和渦流、磁滯等的存在，隨著頻率的不斷增大，旋轉電機的鐵心和繞組都會增加損耗，而在發電系統中電機的負荷約占總負荷的80%以上，因此諧波增加的損耗就非常明顯。諧波電流產生的諧波轉矩一般不會影響到電機的平均轉矩，但是諧波產生的脈沖轉矩會使電機產生扭振，還會使汽輪機產生疲勞循環。其次，諧波一定會對變壓器產生影響，首當其沖的就是增加變壓器的銅損耗，會在三角形連接的變壓器中產生環流，使繞組發熱。而對于星形連接的變壓器，如果繞組的中性點接地，而且該側的電容較大，就可能出現次諧波諧振，使得變壓器的附加損耗增加。再次，諧波對輸電線路的影響。輸電線路的阻抗會隨著頻率的改變而改變，在集膚效應的影響下，會增加輸電線路的損耗。在供電電網中損耗最大的就是變壓器和輸電線路，諧波的出現會增加三相供電系統中中性線的電流，甚至導致過載。最后，諧波對電力電容器的影響。諧波電壓的增高會影響電容器的使用壽命，增加電容器的損耗系數和附加損耗，諧波還可能使電流增加，電容器就會發熱，進而影響電容器的正常運轉。

（二）諧波會對繼電保護和自動裝置的可靠性產生影響

繼電保護裝置和自動裝置在電網中都是以負序基波量為基礎的，其整定多以負序基波量為基礎，這樣整定數值較小，靈敏度高。但是諧波會疊加到負序基礎上，而諧波源一般都是負序源，這樣就可能引起電機負序電流的保護裝置誤跳閘，其后果將不堪設想。其它如變電站主變復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護高頻保護故障錄波器自動準同期裝置等發生誤動都會嚴重威脅電力系統的安全運行。

（三）諧波會影響測量和計量儀器的準確性

目前國內的電子計量裝置都是以50赫茲為標準的正弦波設計的，而且多是感應式的計量裝置，諧波會影響電能表的正常工作，計算的數值會出現誤差。電能表實際記錄的數值是基波電能減去諧波電能，因此諧波將導致電網收費出現誤差，還會出現繳費的不公平。例如吸收諧波的用戶就必須繳納諧波產生的電能，而產生諧波的用戶則會少繳費，這對整個電網的收費產生不利影響，尤其是一些較大項目的用電。

（四）諧波會干擾通信系統的工作

電力線路上如果流過的是奇次低頻率諧波，在等幅值情況下就會對相鄰的通信線路產生影響，干擾通信線路清晰度。諧波和基波共同作用下還可能觸發電話鈴聲，在一些極端的情況下也會大范圍破壞通信設備。而且在高壓直流換相過程中還可能產生電磁噪聲，干擾電力載波通信的正常工作，而且引發的載波工作的閉鎖和繼電保護裝置誤操作，最后影響電網的正常運轉。

（五）諧波會影響用電設備的正常工作

諧波會使電視機計算機的圖形畸變畫面亮度發生波動變化并使機內的元件過熱計算機及數據處理系統出現錯誤對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈則會在一定參數的配合下形成某次諧波諧振損壞鎮流器或電容器對于采用晶閘管的變速裝置諧波可能使晶閘管或控制回路誤動。

三、供電系統諧波的防護對策

目前諧波已經影響到了供電質量，而且其損耗太大，因此必須從管理措施和技術上采取措施，積極治理電網中的諧波。首先，可以提高換流裝置的相數。由于諧波最主要的來源是換流裝置，在交流變直流時，直流側會產生整流相數上下浮動的諧波，而整流相數將可能由6升到12，進而降低諧波電流的有效值。其次，增加動態無功率補償裝置。要減小諧波，其根本措施還是在諧波產生之初對其進行削弱。目前削弱諧波的方法主要有主動和被動兩種。主動方法是在已經產生諧波的情況下，利用無源元件進行削弱，包括電容器、電抗器等等。而被動方法是指有源濾波，通過產生和諧波相反相位的波形來削弱諧波。最后，嚴格執行國家標準，加強對諧波的管理。國家標準GBl7625.1-1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流<16A）》，等效采用IEc6100-3-2：1995，它規定了準備接入公用低壓配電系統中的電氣電子設備可能產生的諧波的限值只有經過試驗證實符合該標準限值要求的設備才能接入到配電系統中，以限制這些設備注入供電系統的總體諧波電流水平。

參考文獻：

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[2]郎維川，諧波電流發射見：全國無線電干擾標委會等編.

電磁兼容標準實施指南.北京：中國標準出版社，1999：387