減少諧波危害的思路

本文分析了有色工礦企業供配電系統中諧波產生的原因及危害，結合工程實踐經驗，提出減少諧波危害的工程設計思路。

諧波會導致供配電系統電流和電壓波形畸變，電能質量下降，危害系統及用電設備。因此，工程設計人員了解諧波產生的機理及危害，研究解決方案，對改善供電質量和確保供配電系統安全經濟運行有著非常積極的意義。

諧波產生的機理與危害

在供配電系統中，諧波是指周期電氣量中頻率大于1整數倍基波頻率（50Hz）的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍，即諧波次數n，比如對于50Hz的電網來說250Hz的正弦波即為5次諧波。需要指出的是諧波次數必須是大于1的正整數，電網暫態變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇。

電網上同時存在著諧波電流和諧波電壓，當正弦基波電壓施加于非線性設備時，設備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流便畸變為非正弦波電流，這些非正弦波中包含了諧波電流，諧波電流注入電網中，流過線路阻抗和系統阻抗時便產生了諧波電壓。有色工礦企業中主要的非線性設備有：變壓器、鐵心電抗器、電力電子裝置、電弧爐及氣體放電燈等，其中，電力電子裝置是主要的諧波源。

變壓器、鐵芯電抗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、鐵芯電抗器上的電壓u與鐵芯磁通Φ是的關系是：N為繞制匝數。當u為正弦波時，Φ與u相差π/2 ，按正弦律變化。而勵磁電流和磁通的關系是由鐵芯的磁化曲線決定，由于鐵心磁化曲線是非線性，因此勵磁電流含諧波。

在有色工礦企業中常用電力電子裝置以兩象限交直交變頻器為例，整流環節為帶濾波電容的二極管三相橋式整流電路，其交流側電流中除基波外，含有n=6k±1（k為正整數）的高次諧波，各次諧波有效值In=11/n，I1為基波電流有效值。

電弧爐的諧波主要由起弧時延和電弧的嚴重非線性引起。電弧長度的不穩定和隨機性，使其電流諧波頻譜十分復雜。氣體放電燈是嚴重非線性的負載，其產生的三次諧波電流含量最高。

諧波對供配電系統及用電設備的危害主要表現在：

加大損耗。高頻率諧波會使系統中的元件產生附加損耗，降低系統及用電設備的效率。

影響電氣設備的正常運行。諧波會使電機產生機械振動和噪聲，使變壓器鐵損增加、局部嚴重過熱、壽命縮短，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短。

引起電網局部諧振。這種諧振會使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，危害用電設備，常使電容器和電抗器燒毀。

使繼電保護等誤動，電氣測量誤差過大。諧波會導致繼電保護裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產損失，還會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差。

使工控系統崩潰。臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生干擾，輕則產生噪聲，降低通信質量，計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。

減少諧波危害的工程設計思路

為了減少諧波危害，工程設計可以從以下幾個方面著手：

1.選用帶有△接法繞組的變壓器

變壓器一側繞組為△接法時，3n次諧波將在該繞組中形成環流，不會傳到另一側繞組，從而有效地抑制了3n次諧波的傳遞。在工程設計中，10kV及以下等級的配電變壓器，均應采用D、ynll接線組別，這樣，二次側3n次諧波不會傳導到一次側，且D、ynll接線組別的零序阻抗較小，有利于單相接地短路故障的切除。

2.合理設置無源交流濾波器

傳統的LC無源濾波器是較常見的抑制諧波的措施。主要是因為其結構簡單、運行可靠，而且除了濾波外，還兼顧了無功補償的需要。對諧波而言，LC濾波支路相當于低阻抗通道，使相應的諧波電流大部分流入該支路，以達到吸收諧波電流、減少系統側諧波電流注入值、降低系統電壓畸變率的目的。該濾波器還可以向負載提供容性無功功率，提高系統功率因數。

這種方法有其局限性：一是會產生較大的超前無功，當系統的自然功率因數較低時可以兼做無功功率補償，但當系統的自然功率因數較高時其應用就受到局限；二是這種濾波器的原理決定了其濾波效果受系統阻抗的影響較大，一方面系統阻抗發生變化時其濾波效果也會不同，另一方面當系統阻抗很小時其濾波效果會較差。

3.在電網中并聯裝設有源濾波器

有源濾波器簡稱是一種用于動態抑制諧波、補償無功的電力電子裝置。它能對大小和頻率都變化的諧波及無功進行補償，克服了傳統LC濾波器的缺點。它以并聯的方式接入電網，通過實時監測負載的諧波及無功分量，采用PWM變換技術，向電網注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而抑制諧波、動態補償無功。

有源濾波器具有如下優點：

（1）實時跟蹤動態補償

采用基于瞬時無功功率理論的諧波電流補償技術，實時監測諧波電流，通過瞬時電流跟蹤控制，實現諧波電流動態補償，自動跟蹤負載諧波變化，具有高度可控性和快速響應性。

（2）優異的補償特性

補償性能不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險。也可以用來抑制供電系統中因諧波引起的系統諧振。

（3）靈活的補償方式

一機多能，不僅能治理諧波，而且能補償無功，提高功率因數。既可對單個諧波源獨立補償，也可對多個諧波源集中補償。治理諧波時還可以實現對指定次諧波進行處理。

（4）先進的功率變換技術

采用IGBT高頻開關器件，主電路為橋式全控PWM變流器，具有體積小、效率高、可靠性高的特點，先進的多重化技術實現了整機容量的擴展。

4.增加整流器脈動數

整流裝置在交流側所產生的諧波為pk±1次諧波，p為脈動次數，如三相全橋整流為6脈動整流裝置，諧波次數為n=6k±1（k為正整），而12脈動整流裝置的諧波次數n=12k±1。因此增加整流器的相數，可以有效地消除低次諧波。

某工程的設計中，副井提升機及井下牽引變電所整流裝置設計為錯相整流等多重化技術實現12脈動或24脈動整流，這從源頭上大大減少了諧波的產生，改善了電源質量，避免了大量諧波治理措施的投資，取得了很好的供電效果。

5.變頻器進線側加裝電抗器

在變頻器交流側加交流電抗器是顯著減少諧波的實用方法。目前，某些知名的國內外變頻器生產廠家已在成套內裝有電抗器，但這種方法也有副作用，如使變頻器入口處的電壓損失增加，還有裝置的重量和造價也會隨著增加。因此，在工程設計中需要進行技術經濟比較。

結語

在有色工礦企業中，諧波導致的各種電氣設備性能下降、無法工作的現象時有發生。為保證各種不同類型設備和計算機及精密電子裝置正常、可靠、高效地運行，必須從工程設計階段就要采取相應措施，確保用電設備的使用壽命，減小諧波侵入電網，從而減少由于諧波帶來的各種損失。