電力系統中諧波污染的危害與治理研究

摘要：日趨嚴重的諧波污染不僅影響供電可靠性，還嚴重危害電力設備，其與功率因數降低、電磁干擾并稱電力系統的三大公害。文章結合實際工作經驗，分析了電力系統中諧波污染的危害，并提出了相關治理辦法。

關鍵詞：電力系統；諧波污染；電能損耗

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0057-02

隨著經濟的發展和社會生活水平的提高，供電可靠性和穩定性日益重要。在供電系統中，當正弦基波電壓施加于非線性元件和設備（主要指各種整流設備、變流器、交直流換流設備、PWM變頻器等節能和控制用的電力電子設備，日光燈、交流電弧爐、變壓器、發電機組及鐵磁諧振設備等）時，由于設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，致使電流發生了畸變，諧波電流注入到與負荷相連的電網中，從而產生了諧波。研究諧波污染的抑制對于電力系統安全運行有著非常重要的意義。

1 諧波污染的危害

諧波產生的根本原因是由于電力線路呈一定阻抗，等效為電阻、電感和電容構成的無源網絡，非線性負載產生的非正弦電流造成了電路中電流和電壓畸變。諧波污染帶來的危害主要作用于電力系統本身和用戶兩個方面，下文進行分析：

1.1 諧波對電力系統的危害

1.1.1 對電網的影響。電網中如果產生高次諧波電流，將增加輸電線路功耗，如果電纜輸電，還容易形成諧波諧振，導致絕緣擊穿。諧波還能造成電網電壓與電流波形發生畸變，影響三相交流電的對稱性，影響電力正常輸送。

1.1.2 對電動機和發電機的損害。諧波造成電動機過熱，增加了電動機的附加損耗，降低了工作效率。其中負序諧波產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。在電力設備中，3、5次諧波對發電機的危害最為嚴重，渦流的產生使發電機噪聲變大，使用壽命減短，引起發電機震蕩，嚴重時造成轉軸扭曲，金屬疲勞斷裂。

1.1.3 對繼電保護的危害。繼電保護裝置若是按基波負序量整定其整定值大小，當諧波干擾疊加到極低的整定值上時，就引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，動作失去選擇性，可靠性降低，從而造成系統事故，嚴重威脅電力系統的安全運行。

1.1.4 對無功補償電容器的影響。諧波電流的產生將會加重電容器的負擔，導致電容器因過負荷或過電壓而損壞，由諧波引起的發熱和電壓升高意味著電容器使用壽命的縮短。

除以上提到的危害，諧波對變壓器、熔斷器、斷路器等其他設備也造成了不同程度的危害，有待進一步重視和探討。

1.2 諧波對電力用戶的影響

產生諧波負荷的用戶，從系統中吸收基波功率而向系統送出諧波功率。這樣受諧波影響的用戶既從系統吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源用戶少付電費而受害的用戶反要多付電費。另外，諧波的產生對用戶電動機、補償電容器、自動控制裝置、生活用電、用電安全等均有影響。

2 諧波治理措施

諧波的治理途徑就是降低諧波源的諧波含量，可以從產生諧波的非線性負荷和受諧波污染危害的電力設備和裝置兩方面著手：

2.1 加裝濾波器

濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩種，作用是阻止高次諧波進入電網，其原理是運用由L、R、C元件構成諧振回路，可阻止與諧振回路的諧振頻率相同或相近頻率的諧波進入電網。由于無源濾波器容易受系統參數影響，對某些諧波具有放大作用，因而建議安裝有源濾波器，其可控性和響應性較高，而且可以消除與系統阻抗發生諧振危險，同時也能自動跟蹤補償變化的諧波。

2.2 加強管理，阻止諧波的傳輸

由于諧波是以電流的形式傳輸的，因此可以通過加強管理的方法使諧波的傳輸范圍得到控制。首先是加強對供電線路的管理，將產生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷供電線路分開，這樣就可以阻止非線性負荷產生的畸變電壓傳導到線性負荷上去，防止諧波負荷電流造成的諧波電壓畸形產生。電路要實現多重化和多元化，降低諧波成分。

各部門各負其責，盡量不把本部門管轄范圍內的諧波傳送到其他線路，加強監測，實時控制，提高電網抗諧波的能力。把好投運關，對具有諧波源和系統公用電網系統，進行諧波預測計算，對于超出允許值的客戶，需采取限制諧波的措施，與公用設備同時投運，也就是說，對客戶工程同時設計、同時施工、同時接入使用。新設備投運后，進行諧波實測復核，合格者才允許正式接網運行。

2.3 加裝無功功率靜止型無功補償裝置

對于大型沖擊型負荷，可裝設無功功率的靜止型無功補償裝置，以獲得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數，濾除系統諧波，減少向系統注入諧波電流，穩定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統承受諧波能力。本文推薦以自飽和電抗型的無功功率靜止型無功補償裝置，其可靠性高，容易操作，反應速度快，能夠有效解決大型非線性負荷產生的電壓波動、電壓閃變、負序電壓、諧波危害等。

2.4 增加換流裝置的相數

換流裝置是供電系統的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1和pk（p為整流相數或脈動數，k為正整數）。當脈動數由p=6增加到p=12時，可以有效地消除幅值較大的低頻項（其特征諧波次數分別為12k±1和12k），從而大大地降低諧波電流的有效值。

2.5 開關電源干擾的抑制

一般采用的辦法是電源濾波、屏蔽及減少開關電源本身干擾能量。減少開關電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時因磁芯不飽和而產生的較大電勢阻止反向電流

上升。

3 結語

綜上所述，本文從電網、電力設備、用戶等方面分析了諧波污染的危害，并提出了治理諧波污染的一些具體辦法，對于保證電力系統正常的經濟運行具有重要的意義。隨著技術的進步，在治理諧波污染的問題上必定會產生更科學的措施，從而更加高效地抑制諧波對電網的污染，提高供電質量。

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作者簡介：章穎（1983—），女，浙江杭州人，浙江省天正設計工程有限公司工程師，研究方向：供配電。endprint