配电网谐波地产生及危害

1、配电网谐波的产生及危害一、谐波的概念在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为u(t) T2usin( t )(10 -12)式中，U 电压有效值；a初相角；3角频率，3=2 n f=2 n /T ;f 频率；T周期。正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降， 会使电压波形也 变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对 于周期为T=2 n / 3勺非正弦电压u (3 t,) 般满足狄里赫

2、利条件，可分解为如 下形式的傅里叶级数u( t) a0(an cosn t bn sin n t)(10 3)n 1式中1 2a。 o u( t)d( t)1 2anu( t)cos n td ( t)1 2bn0 u( t)sinn td( t)u( t) a。CnSin(n t n)n 1(n=1 , 2 , 3)(10 -4)式中，Cn、 n和an、0的关系为narctg(an/bn)an Cn sin nbncn cos在式(10-3)或式(10 -14)的傅里叶级数中，频率为1/T的分量称为基 波，频率为大于1整数倍基波频率的分量成为谐波，谐波次数为谐波频率和基波 频率的整数比。以上

3、公式及定义均以非正弦电压为例， 对于非正弦电流的情况也 完全适用，把式中u(3 t )转成(3 t )即可。n次谐波电压含有率以 HRUn (Harmonic Ratio U n)表示。HRU n UjL 100(%)(10 -5)U1式中，Un第n次谐波电压有效值(方均根值)；U1基波电压有效值。n次谐波电流含有率以HRIn表示HRI n 100(%)(10 -16)11式中，In第n次谐波电流有效值；I1基波电流有效值。谐波电压含量Uh和谐波电流含量Ih分别定义为电压谐波总畸变 THDh (total harmonic distortionTHDi分别定义为(10 -7)(10 -8)TH

4、DhUhUi100(%)THDjInI1100(%)(10 -9)(10 -20)和电流谐波总畸变率以上介绍了谐波及谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气量 中频率为大于1整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有 人也把谐波也称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基 波频率的意思，因此再加上“高次”两字是多余的二、谐波的产生2.1.变压器变压器的非线性是因其铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的。磁化曲线具有饱和、死区和滞后3种典型非线性特性，它以原点为对称点，在正弦波电压的作 用下，励磁电流为对称函数，并满足 f( t ) f( t)，应用傅立叶级数分解

5、 时仅有奇次项。对于3相对称的变压器来说，其3的奇数倍(3次、9次、15 次、)谐波均为零序，会受到变压器接线方式的影响。故可认为变压器是一 种只产生奇次谐波的电流源型谐波源。 它的谐波次数还受1、2次侧接线方式( 或Y)的影响，大小则与其磁路的结构形式、铁芯的饱和程度等有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流越大2.2.气体放电类电光源照明工程中使用的电光源分为两种： 一种是热辐射类电光源，如白炽灯、卤 钨灯；另一种是气体放电类光源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物 灯。通过测量及分析气体放电类光源的全伏安特性可知，其非线形十分严重，含有负的伏安特性。气体放电灯使

6、用时必须与电阻或电感串联， 使其综合伏安特性 不再为负，才能正常工作，串联的电阻或电感统称为镇流器。其非线性相当严重， 其中3次谐波含量达20%以上（以基波百分数表示）。由于其特性为对称函数， 也只含有奇次谐波，故气体放电类电光源灯具属于电流源型谐波源。2.3.其它非线性电气设备（1）冶金、化工等企业和电气化铁路所用的换流设备利用整流元件的导通、 截止作用强行短接和断流，这将产生谐波电流。（2 ）炼钢电弧炉因电弧的负阻特性（电弧电阻随电流增大而急剧减少）和 熔化期A相电极反复不规则地短路和断弧，故而产生谐波电流。由于 3相负荷不 对称，存在较多的3次谐波电流。精炼期谐波电流有所减小。（3 ）目

7、前民用建筑中的电气设备一般都采用开关型电源。这类电路的电源 侧是整流电路，而且大多数为单相全波整流电路。 其负载按具体线路则可分为感 性负载和容性负载两种。感性负载的单相整流电路为仅含奇次谐波的电流源型谐 波源，其中3次谐波含有量达30%以上。容性负载的单相整流电路也只含有奇 次谐波，但由于电容电压会通过整流管向电源侧回馈，故属于电压源型谐波源。其谐波含有量与电容值C有关，C越大，谐波含量越大。（4）变频电路是民用建筑中的另一种谐波源，常用于电梯、风机、水泵的 调速电路。由于采用了相位控制，谐波成分非常复杂，不仅含有所有整数次谐波， 而且还含有非整数次谐波。这类装置的功率一般较大，但数量较少，

8、对系统的谐 波有一定的影响。特别要指出的是，彩色电视机、微型计算机等家用电器和办公 设备中的整流电路，虽然其单台功率较小，但数量巨大，已成为民用建筑中最主 要的谐波产生源。三、谐波的危害（1 ）影响配电网的稳定运行配电网的电力变压器、电力线路通常采用继电保护措施，在故障情况下保障 系统和设备的安全。其检测部分常采用电磁式继电器、 感应式继电器或晶体管继 电器。其中电磁式继电器、感应式继电器对10%含量以下的谐波并不敏感，当谐 波含量达到40%时将导致继电保护系统误动。晶体管继电器具有很多优点，将 取代电磁式继电器和感应式继电器， 成为未来的发展方向。但晶体管继电器采用 的整流取样电路，极易受谐

9、波影响，产生拒动和误动。还有一些继电器由于所采 用电路的原因，会在谐波过大的情况下改变其特性。 因此谐波的泛滥将严重地威 胁配电网的安全、稳定运行。（2）影响供配电设备和用电设备的正常工作配电设备和用电设备设计时均以50Hz正弦波为额定条件，如谐波过大将会 导致额定工作点偏移，造成设备的功能不能正常发挥，甚至损坏。（3）影响电力测量和电能计量的准确性目前大量采用的仪表分为电磁型、 电动型、磁电型和感应型几种，其中电磁 型和电动型对谐波不敏感，但磁电型和感应型受谐波影响较大，特别是电能表， 由于多采用感应型，在谐波较大时会产生电能计量的混乱。（4）对其它系统的干扰民用建筑中的弱电系统较多，如计算机网络系统、电话系统、有线电视传输 系统、楼宇自