電氣設計中諧波危害及濾波裝置的選擇

楊林

摘 要：電力系統中很多地方都能產生諧波現象，這種現象遍布于我們的生活之中，本文就在電氣設計過程中如何對諧波抑制、電氣設計中諧波危害以及電氣設計中濾波裝置的選擇進行了說明。

關鍵詞：電氣設計；諧波危害；濾波裝置的選擇

引 言

電力系統中發電、輸電、配電、用電4個環節都可能產生諧波，如發電機三相繞組不對稱、變壓器鐵心飽和等因素引起諧波，但是主要諧波源還是來自用電環節，如電弧爐、整流器、變頻器等非線性負載的大量使用。因此在電氣設計過程中對濾波裝置的選擇就變得尤為重要，如果在電氣設計過程中沒有考慮此部分因素，那不僅增加了發、輸、供和用電設備的附加損耗，還將影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性，使很多用電設備無法正常運行。

1 用電環節中諧波的產生

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。在用電設備中，下面一些設備都能產生諧波：

1.1 晶閘管整流設備及變頻裝置

由于晶閘管整流在電力機車、充電裝置、開關電源等許多方面都得到了廣泛的應用，給電網造成了極大的諧波。單相整流電路，會產生奇次諧波電流，在接感性負載時，其中3次諧波的含量可達基波的30%，接容性負載時，其諧波含量隨電容值的增大而增大；來源于各種電氣設備中，主要包括一些電力電子設備，變頻裝置等。變頻裝置常用于風機、電梯等設備控制中。變頻電路，其負載性質一般分為感性和容性兩種，其諧波成分含有整數倍數的諧波、非整數倍數的間諧波。據統計，由整流裝置產生的諧波占電力系統所有諧波的最大值。

1.2 電弧爐設備及氣體電光源設備

電弧爐在熔煉金屬過程中的非線性影響下將產生大量的諧波；氣體電光源包括熒光燈、鹵化燈等。根據這類氣體放電光源的伏安特性十分嚴重，同時還含有負的伏安特性。而氣體燈具工作不僅要與電感性鎮流器相串聯，而且要使其綜合伏安特性不再為負才能正常工作。由于鎮流器的非線性相當嚴重，其中三次諧波含量在20%以上，既而氣體電光源設備屬于電流源型諧波源。

2 諧波的危害

近年以來，因諧波引起的各種故障、事故的不斷發生，諧波危害的嚴重性這才引起了人們高度的重視，諧波對用戶的危害主要表現在以下幾個方面：諧波使用戶電網中的設備產生附加諧波損耗，增加電網線路損耗。在三相四線制系統中，零線會由于流過大量三次及其被數次諧波電流，造成零線過熱，加速線纜老化，嚴重時會造成火災；如果用戶電網有補償電容，濾波容易使電網與補償電容器之間發生諧振，使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，造成過電流，引起電容器和與之相連設備的損壞；諧波會引起一些敏感的自動化設備誤動作，還會導致電氣測量儀表計量不準確；諧波會引起電力系統繼電保護誤啟動、誤動作跳閘，拒動和損壞，引起事故發生；隨著諧波電壓的增高，容器的損耗系數增大、附加損耗增加，會加速電容器的老化，縮短了電容器的壽命，容易發生故障。另一方面，當電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率接近或等于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

3 電氣設計中濾波裝置的選擇

濾波器的主要作用是向輸出端傳入輸入信號中的有用頻率濾去無用頻率。如今比較常用的濾波器主要分為無源濾波器及有源濾波器這兩種裝置，其總結如下：

3.1 無源濾波器

無源濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設計構成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最普通易于采用的無源濾波器結構是將電感與電容串聯，可抑制主要次諧波（3、5、7）次。

3.2 有源濾波器

有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。有源濾波器的優點在于可動態濾除各次諧波，對系統內的諧波能夠完全吸收，不會產生諧振。可廣泛應用于工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、精密電子企業、機場/港口的供電系統等。

有源濾波器選擇中諧波電流的計算：

3.2 有源濾波裝置的安裝位置

對于單臺重要設備諧波源或者比較集中的諧波源，濾波器可就近安裝在設備配電箱內，詳見圖1。

對于諧波源較多，或比較復雜的設備，有源濾波器可在低壓配電柜處設置，詳見圖2。

4 結 語

隨著電力電子技術的發展與進步，將出現新的諧波源，而且有源濾波器造價太高，受硬件限制，在大容量場合無法使用。有源濾波容量單套不超過100kVA，目前最高適用電網電壓不超過690V。濾波器的技術有待于挖掘。

參考文獻

[1]尹宏程.混合有源電力濾波器分析及應用探討[J].2007，25（1）：16.

[2]王雪丹.礦井大功率直流拖動系統諧波及其補償控制研究.中國礦業大學，2009.