國防工程電力系統諧波分析及抑制方法

梁建輝 火箭軍士官學校 山東青州 262500

0 引言

國防工程中由于各種大功率開關器件的大量應用到各種電源裝置和電動機調速中，為設備運行提供了高效、節能的控制手段，但是，利用開關動作對電能進行有效變換的同時，裝置本身產生了無功電流和高次諧波，對供電系統產生了很大的危害。一是容易使電氣測量儀表計量出現偏差，并導致繼電保護和自動裝置誤動作，甚至造成跳閘事故。二是能直接造成用戶電氣設備故障。當電網中3 次、5 次或7次諧波電壓含有率達到10%~20% 時，電動機將在短期內損壞。另外，在變壓器低壓側裝設的電容器補償裝置，其對高次諧波電流具有放大作用，使電容補償柜在諧波的作用下溫升過高、電流過大，以致無法正常運行。三是容易使供電系統與用于補償無功功率的并聯電容器發生局部并聯或串聯諧振，造成過電壓或過電流，使電容器絕緣老化。據統計，由于諧波問題引起的電容故障占電容器總故障的71%~83%。

1 諧波來源

當前國防工程中的非線性負載是諧波電流的主要來源。由于系統阻抗的原因，負載也產生電壓諧波。因此，非線性負載被認為是電流和電壓諧波的產生源頭。這些諧波源可以總結為以下三個主要部分。

1.1 調速系統

調速系統主要組成部分是電源，變頻器，控制回路加上感應電機。作為一個非線性負載，變速驅動系統輸出非正旋電流，富含諧波。這些諧波流入提供電能的電力系統，使配電設備（如變壓器）過載，并且和功率因數調節電容發生共振和其他問題。

1.2 飽和設備

由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。雖然在通常的電壓下，變壓器勵磁電流富含諧波，但是它基本低于滿載電流的百分之一。一般不像電力變頻器和電弧設施那樣影響明顯。

1.3 電弧設備

這些電弧設施包括電弧爐，電弧焊機。電弧有一個基本的帶阻抗鉗型序列電壓來限制電流到一個共振值。電弧的電壓和電流都是非線性的。隨著電弧點燃，電壓隨著電流的增加而降低，只是通過電力系統中的阻抗來限制。電弧本身就是諧波電壓源的典型代表。如果探頭直接穿過電弧，就會出現某種程度的梯形波。它的幅值在電弧中起到很大的作用。但是，電弧爐的阻抗起到了緩沖作用，電源電壓只是適度失真。因此，電弧負載成為一個相對穩定的諧波電流源。當系統接近諧振時這種情況消失。電弧爐負載和其他電弧設施的諧波成分跟電感鎮流器相似。

2 諧波對設備運行的影響

諧波對電力系統中的設備的有害影響，大部分時間是由于故障出現才被意識到。洞察諧波如何影響電力系統和其中的元件對預防故障是非常重要的。

2.1 對變壓器的影響

諧波可以從兩方面影響變壓器。由于更高頻率的諧波電壓建立滯后環，它疊加在基礎環上，電壓諧波在變壓器鐵心中將產生額外的損失。每個環代表更高的磁能需求和鐵芯損耗。第二個更嚴重的影響是在變壓器繞組中的諧波電流，它產生額外的損失，繞組渦流損失也同時增加。由諧波引起的渦流電流能顯著增加變壓器繞組溫度，所以必須降低變壓器攜帶的諧波。

2.2 對電容器組的影響

當大量的電壓和電流諧波存在時，它們會經常過電壓工作，導致故障。因為電容器組的電抗是和頻率成反比例的，電容器組能吸收零散的諧波電流，導致過載和故障。諧波共振是潛在的嚴重情況。如果在電力系統中出現諧波共振，電容器組合其他電力元件都可能損壞。

2.3 對電纜的影響

電流流過電纜產生功率損失。當負載電流含有諧波成分，額外的損失就產生了。肌膚效應導致電纜的阻抗隨著頻率的增加而增加。肌膚效應是因為不相等的磁通穿過導體的橫截面，導致交流電流只在導體的外部邊緣流動。電流頻率越高，電流擁擠在導體外部邊緣的趨勢越大，該頻率下的有效電阻影響越大。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強了介質的電場強度，這影響了電纜的使用壽命。據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。

2.4 對保護裝置的影響

諧波電流影響保護裝置的正常運行。在非線性電流下，保險絲和電機熱過載裝置容易引起誤動作。這個因素在諧波運行環境中應該給與慎重考慮。繼電器也受諧波影響。在諧波環境中，繼電器可能動作得比設計的快或者慢，在繼電器的應用中要優先考慮。

3 諧波抑制方法

3.1 調整非線性負載在供電系統中容量占比

在設計時為了使測量、控制裝置能滿足負載較大變化范圍，因此在設計工程供電系統時，可給予較大貯備量，一般選取0.5～1倍余量。若系統容量已經確定，實踐中的有效方法就是限制非線性負載的容量在變壓器容量的30%以內。

3.2 相對于負載的電源阻抗

通過非線性負載產生的諧波電流可以通過電源的阻抗向其它設備傳播。作為負載源，一個典型的變速驅動系統在滿載狀態下，總的電流諧波畸變可能高到50% ～100 % 。如果把電源阻抗設計到負載阻抗的2%至5% ，總電流諧波畸變可以降到低于40% 。

4 結論

諧波是電力系統傳輸電能量的重要分量，準確理解供電系統中諧波含量和抑制諧波方法，對保證用電設備運行和保障供電安全具有重要的現實意義。作為國防工程供電系統維護人員，有必要在諧波抑制和電壓擾動方面進行理論研究和實踐，運用當前國內外已有的可研技術成果，去消除電網的諧波危害，將電力系統諧波危害降至最低，保證國防工程用電設備的安全可靠運行。