淺談諧波的產(chǎn)生、危害及治理

文/張善強(qiáng)（河南省商丘市永城市新城區(qū)永煤公司供電分公司）

一、諧波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生諧波的設(shè)備是多種多樣的。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定，發(fā)電機(jī)實(shí)際的端電壓波形在任何瞬間與基波波形之差不得大于基波幅值的5%，因而，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)電勢(shì)具有純正弦波形，沒有諧波分量。系統(tǒng)中涉及的諧波源存在非線性特性的用電設(shè)備。即便為這些設(shè)備提供所需的正弦電壓波，其所選用的電流仍然為非正弦，也就意味著諧波電流的存在。具體諧波電流含量會(huì)與特性和工作實(shí)際情況有著密切的關(guān)系，與電力系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系比較小。因而這些具有非線性特性的用電設(shè)備可以看作是諧波恒流源。用電設(shè)備所產(chǎn)生的諧波電流會(huì)進(jìn)入到電力系統(tǒng)當(dāng)中，造成系統(tǒng)中電壓出現(xiàn)諧波分量。

二、諧波的危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，如不采取措施加以抑制，它們將竄到電力系統(tǒng)和其他用戶中引起許多不良影響。歸納起來，諧波造成的不良影響有：

（一）使電網(wǎng)的電壓和電流波形發(fā)生畸變，致使電能品質(zhì)變壞

若是公用電網(wǎng)擁有較為嚴(yán)重的諧波，會(huì)影響接入電網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)作，提升設(shè)備故障發(fā)生概率，造成供用電網(wǎng)中性線注入更多的電流。這種情況會(huì)引發(fā)超載、發(fā)熱情況的加劇，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成不利影響。此外，由于相同頻率的諧波電壓會(huì)與諧波電流產(chǎn)生相應(yīng)的有功功率和無功功率，進(jìn)而造成電網(wǎng)電壓的下降，造成電網(wǎng)容量的浪費(fèi)。

（二）使電器設(shè)備的鐵損增加，造成電器設(shè)備過熱，降低正常出力

諧波電流，特別是3次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱，加快絕緣介質(zhì)的老化速度。對(duì)星形連接的中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的3次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱，影響變壓器正常工作。

（三）使電介質(zhì)加速老化，絕緣壽命縮短

在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量應(yīng)用于無功補(bǔ)償或?yàn)V波器，而在諧波的長(zhǎng)期作用下，金屬化膜電容器會(huì)加速老化，壽命縮短，以至損壞。

（四）使電纜溫升增加，產(chǎn)生放電造成接地

諧波污染將會(huì)使電纜的介質(zhì)損耗、輸電損耗增大，泄漏電流上升，溫升增加且造成局部放電，引發(fā)單相接地故障的可能性增加，由于電力電纜的分布電容對(duì)諧波電流有放大作用，在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)，系統(tǒng)電壓上升，諧波電壓也相應(yīng)升高，電纜的額定電壓越高，諧波引起事故的危害就會(huì)越大。

（五）影響繼電保護(hù)的可靠性

由于繼電保護(hù)裝置的整定值設(shè)定可能會(huì)與基波負(fù)序量有著一定的關(guān)系。所以，如果諧波干擾疊加至相應(yīng)整定值方面，會(huì)有很大的概率引發(fā)負(fù)序保護(hù)裝置的誤操作，降低電力系統(tǒng)安全性。

（六）干擾通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)在供電系統(tǒng)中的作用至關(guān)重要，通信系統(tǒng)受諧波的干擾較大，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作，特別是對(duì)于綜合自動(dòng)化變電站影響較大。

三、諧波的治理

在諧波的治理過程中，無源諧波補(bǔ)償式應(yīng)用范圍比較廣泛，并且具有較好的效果，價(jià)格相對(duì)來說較為低廉。這種解決方法擁有三種形式，即串聯(lián)濾波、并聯(lián)濾波和串并混合濾波。其中并聯(lián)濾波具有較為廣泛的應(yīng)用范圍，它屬于電源凈化濾波形式，能夠?qū)崿F(xiàn)組合濾除多次諧波，與此同時(shí)向系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償。串聯(lián)濾波通常情況下會(huì)被用作濾除三次諧波。LC濾波器作為無源濾波器，是一種較為傳統(tǒng)的抑制濾波方法。一般情況下，LC濾波器是由濾波電容器、電抗器和電阻器三者組合而成，呈現(xiàn)出具有可行性的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)使用。運(yùn)用這種措施能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償諧波，并且還能夠促進(jìn)補(bǔ)償無功功率。由于其整體結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，因此得到了廣泛的推廣應(yīng)用。但是這樣的處理方法也存在明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)槠溲a(bǔ)償特性通常會(huì)受到電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)兩者的影響，在使用過程中會(huì)與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。這種情況的出現(xiàn)會(huì)造成諧波放大，引發(fā)LC濾波器過載甚至損壞。

在當(dāng)前階段，電網(wǎng)諧波污染情況愈發(fā)嚴(yán)重，這與非線性負(fù)荷增加有著一定的關(guān)系。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，運(yùn)用傳統(tǒng)的L-C無源濾波方法已經(jīng)不能夠滿足當(dāng)前的實(shí)際需求。合理運(yùn)用此類濾波器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率以及幅值都存在變化的諧波展開跟蹤補(bǔ)償。在進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償?shù)倪^程中，補(bǔ)償特性不會(huì)因電網(wǎng)阻抗的受到影響。

由于傳統(tǒng)的L-C無源濾波受電網(wǎng)參數(shù)和L、C參數(shù)影響大，并且容易與電網(wǎng)參數(shù)引起諧振，使當(dāng)前的運(yùn)行不能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)。但是如果僅運(yùn)用有源濾波需要較高的成本。利用有源、無源混合使用，能夠?qū)⒏髯缘膬?yōu)勢(shì)展現(xiàn)出來，有著較大的容量，整體成本比較低，且性能優(yōu)越。不僅可以補(bǔ)償無功，還能夠補(bǔ)償諧波。有效解決無源濾波因電網(wǎng)參數(shù)影響這個(gè)缺點(diǎn)。

另外有一種諧波保護(hù)器，主要用于過濾高次諧波、保護(hù)儀器設(shè)備有很好的效果，它主要是由電壓箝位、低通濾波器以及吸收器組成，能夠抑制和吸收用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高頻噪聲、脈沖尖峰、高次諧波、電涌等干擾，而且能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電壓波形，快速過濾電源中的雜波、浪涌、尖峰，矯正因諧波影響而產(chǎn)生的高次諧波，從源頭消除諧波污染，為用電設(shè)備提供保護(hù)功能，該設(shè)備主要用于380V或220V低壓系統(tǒng)中。

四、結(jié)束語

隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，特別是變頻設(shè)備的大量使用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面影響繼電保護(hù)的可靠性。為此，要積極采取措施，在源頭加以控制。