工業供配電的諧波危害及治理技術措施研究

李毅

（昆明煤炭設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

電網諧波是電網中存在的除基波電壓、電流之外的高次諧波分量，對設備來說它會造成絕緣破壞、損耗增加、甚至誤動作，對電網也會增加變壓器損耗、較大的零序諧波電流甚至會燒毀電流互感器等關鍵元器件造成供電事故。隨著我國現代化技術的不斷發展，非線性用電設備越來越多，因此出現了大量的諧波源，這些諧波造成電網品質嚴重下降，供電可靠性降低，大大的增加了電力損耗，電網可用容量也大幅度下滑。

1 諧波的產生、危害和影響

好的供電系統給用戶提供的是完美的正弦波形電壓，也就是我們所說的理想的恒壓源系統，它需要電源系統極低的內阻（近乎為零）。然而，供電系統容量都是有限的，直流變送系統、大功率單相整流系統、IGBT 斬波

器（如變頻調速、大功率可控硅器件）等均為非線性負荷，其電流與所施加的電壓不是線性關系，而是形成了非正弦波電流，而非理想的電源系統會對非線性的電流產生反應，從而出現非正弦波分量的電壓，這就是諧波。諧波主要有以下幾方面的危害和影響。

1.1 引起電網諧振

因電網中的分布電容與系統中感性元件的組合，在一定的頻率下可能形成串聯或并聯的條件，當系統中存在某次諧波正好與諧振頻率吻合且能量足夠大時，就會造成危險的過電流或者過電壓。

1.2 引起設備損耗增加

高次諧波施加于電容器兩端時，由于電容器對高頻的阻抗不大，導致電容電流也大大增加，電容器損耗也隨之大大增加。高次諧波在變壓器中會產生高頻渦流，導致器材損耗加劇，變壓器有效容量降低。

1.3 對電動機影響

因高次諧波的趨膚效應首先會產生附加損耗，其次負序諧波會產生阻礙轉動的脈動轉矩，會使轉子不規則振動，電機發出嘯叫。

1.4 對變壓器影響

諧波可使變壓器的渦流及磁滯損耗轉矩，3 及3 的倍數次的零序諧波，還會在三角形連接的繞組中形成環流，進一步增加變壓器損耗甚至使變壓器過熱。

1.5 對輸配線路影響

線路感抗隨頻率升高而增加，因集膚效應高次諧波感抗越大損耗從而也越大，且零序諧波會在中性線上疊加，有可能中性線過熱甚至燒毀。

1.6 破壞設備絕緣

高次諧波電流會對旋轉電機、變壓器以及其他電器設備造成損耗加劇，引發局部加熱，加速了絕緣介質的老化，導致絕緣被破壞。大量的諧波會使電源形成幅值極高的尖峰電壓，直接破壞設備絕緣，導致電纜發熱，引發火災問題。

1.7 干擾電子控制設備

在電子設備中出現諧波問題，會產生誤操作的現象，影響電子元件的正常運行。

1.8 影響繼電保護

諧波問題出現可能會引發繼電保護現象，這主要是因為設備受到相位變化出現誤動或者拒動問題。對于不接地系統中的電壓互感器，由于諧波產生的零序電流會導致電壓互感器燒毀從而使繼電保護系統失效。

1.9 影響儀器有效性

諧波會造成有效值的改變，導致測量儀器出現誤差，此外諧波還會導致通訊設備出現雜音以及故障等問題。諧波分解示意圖如圖1。

圖1 諧波分解示意圖

2 諧波限值及諧波檢測的方法

2.1 加強諧波檢測

電網中的非線性負荷以及沖擊性負荷較多，會產生諧波電流并產生上述危害，想要減小危害，就需要對諧波進行治理，而之前必須對諧波進行檢測，對干擾源進行鑒別，這樣可以快速發現電網中出現的諧波，并且有針對性的提出解決措施，利用科學可行的手段對重點污染線路展開諧波治理。

2.2 公用電網對諧波的限值

表1為《工業與民用供配電設計手冊》中公用電網諧波電壓限值。

表1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值

根據表1 可知，電網標稱電壓越高，允許的總諧波畸變率越小，也就是說，電網電壓越高，諧波危害造成的范圍會越廣，所以控制越嚴格。

2.3 諧波檢測的方法

現階段國內外諧波檢測的方式主要有兩種，分別是非參數化以及參數化。其中非參數化的方式主要包括快速傅里葉變換、瞬時無功功率理論、人工神經網絡和小波分析法。非參數化中，快速傅里葉變化具有多功能、計算容易的特點，但是存在頻譜泄露體積欄柵效應的問題，對檢測的精準度難以保證；瞬時無功功率理論具有較強的時效性，無法滿足快速檢測諧波的需求；人工神經網絡的檢測速度較快，但是硬件實現較為困難；小波分析法具有較強的實時性以及動態性，但是高頻部分分辨率低，并且無法尋求合適的小波函數。參數化方式主要有自回歸-滑動平均模型譜估計法以及Prony 法，對頻率分辨率提升有重要的促進意義，但其精準度會受到AR 模型階數以及噪聲問題影響。Prony 能夠直接對信號進行分析，但是計算量較大并且對噪聲較為敏感，因此需要利用最小二乘意義上的擬合，進一步改善測量過程中出現的噪聲問題，促進實時處理能力提升。

2.4 建議的諧波檢測方法及諧波檢測的過程

信號處理過程中包括基于頻域理論的處理防范以及基于時域的處理方法，從諧波檢測層面來看，模擬濾波處理器就是基于頻域的理論方式，此種方式用于諧波檢測的時間較長。檢測原理是借助濾波器將基波電流分量濾除，以此獲取諧波分量或者使用通濾波器獲得基波分量，再和檢測電流相減，進而獲得諧波分量。該檢測方式使用起來較為簡便、消耗的成本較低、輸出阻抗較小、相關因素也能被科學管控，然而在獲得穩定以及理想的相幅頻特性上較為困難，且一組濾波電路只能對某個頻率的諧波進行檢測，電網頻率波動時，檢測的精準度無法得到保障。因此，在諧波檢測的工作進程中，還需要使用傅里葉變換法以及其他多樣化的檢測方法。

3 諧波治理技術措施

（1）從負載端減少諧波。如前所述，首先諧波就是非線性負荷所引起的，所以盡量不用或少用非線性負荷的設備是減少諧波的最直接的方法，如盡量不使用氣體放電燈、減少變頻空調的使用等。

（2）必須要使用變頻器等換流設備時，盡量采用高脈動（或者說多電平）的換流裝置，脈動數高，輸出的波形越接近正弦波，諧波也就會越小。

（3）變壓器盡量采用Y 型接法，可以使3 及3 的倍數以上的諧波沒有通路，可以有效抑制諧波。對于我們大多數廠礦來說，電源多為10kV，設備電壓多為380V、660V 等，此時變壓器采用D-y 接法對抑制諧波比較有利。

（4）采用無源電力濾波器。采用電容和電抗器組成的電力濾波器，利用其在諧波頻率下阻抗值較低的特性，濾除特定頻率的諧波電流，可以有效減少特定頻率的諧波。無源濾波器結構較為簡單，在運行過程中可靠性也較高，并且在基波頻率下還可以提供容性的無功補償，在高壓高低壓供配電系統中得到了具體應用。但是無源濾波器也存在一定問題，只能對特定次數諧波進行吸收，容易出現系統諧波導致諧波放大問題出現，諧波吸收效果也會受到系統運行方式的影響。

（5）采用與負載串聯的電抗器。利用電抗器通低頻阻高頻的特點，可以在一定程度上平抑高次諧波，對頻率較低的諧波不是很理想，而且能明顯抑制諧波的電抗器體積比較大，能量消耗也十分驚人，所以一般只是加一定程度的電抗器，使負載（如電機）基本可以運行即可。

（6）采用有源濾波器。有源濾波器實際也是一個多脈沖的換流裝置，把它和非線性用電負載并聯，控制裝置實時對負載電流進行監測，利用計算的方式能夠得到負載電流的諧波，控制逆變器產生一個和諧波電流大小相等，但方向相反的諧波電流，表象上看可以抵消負載的諧波電流，實際是向負載提供其所需的諧波電流，其原理與無功補償有相似之處。目前，有源濾波器是治理效果最好的一種方法，高質量的有源濾波器能夠對所有諧波進行補償，缺點是體積較大，造價高昂，特別是高壓的有源濾波設備價格比等容量的換流設備還要昂貴，因此一般應用在低壓中小功率領域。

（7）提高電力系統的諧波承受能力。前面提過，由于電力系統不可能容量無窮大，內阻為零，因而在有非線性負載時不可避免的會產生諧波電壓，對其他負荷造成影響。但是供電系統容量越大，同樣的非線性負荷引起的諧波畸變就會越小，所以采用更高等級的供電電壓及選用更大容量的變壓器是可以有效降低諧波的，但這也會增加用戶的投資及使用成本。

4 推薦廠礦諧波治理方法

通過以上分析，各種治理方法都有其優缺點，綜合考慮效果及投資，根據現場情況，宜從以下幾個方面對諧波進行治理。

（1）在設計供電系統時應充分收集非線性負荷的情況，客觀估算其容量，如果容量較大，應盡量采用較高的外部線路電壓等級，從減少基本電價費的角度出發，在供電范圍內可實行兩級電壓，按照總負荷選擇主變壓器，而在負荷端的變壓器容量可以盡量大一點（可在運行負荷的3 倍以上），大幅度提高系統承受能力。

（2）對于大功率的換流設備，盡量采用高壓的多電平換流設備，通常來說，12 電平以上的換流設備，其諧波已經很小。

（3）盡量避免采用氣體放電燈。

（4）對于一般排水泵等不需要調整功率的設備，其啟動裝置盡量避免采用半導體降壓、變頻器的裝置，宜采用可變電感的電抗器等啟動裝置。

（5）對于低壓變頻器等3 電平換流裝置，除采用與負載串聯的電抗器平抑諧波外，應就近并聯有源濾波器對諧波進行補償，避免對其他負荷的影響。

（6）負荷端的變壓器盡量采用D-y 接法。

（7）對于非線性設備較多、非線性負荷功率較大的場合，要加大零線的截面。

5 結語

總而言之，供配電系統之中嚴重的諧波危害是十分大的，對供電質量、供電可靠性都會造成嚴重影響，因此必須進行治理，控制其在允許范圍內。全面對諧波源進行分析，使用科學可行的方式進行治理，才能夠保障電網的安全使用及可靠供電。