电力系统谐波的产生危害及谐波治理

1、 /7申报论文（中级）题目：电力系统谐波的产生、危害及谐波治理单 位：江苏中能硅业科技发展有限公司姓 名：吴静申报专业：化工电气2014 年 7 月 20 日电力系统谐波的产生、危害及谐波治理吴靜【摘要】：阐述了电力系统的重要性，详细分析了电力系统谐波产生的原因，对各类电器及 系统设备的危害，谐波的抑制和治理【关键词】：电力系统；电力谐波；谐波危害；谐波治理引言电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。随着电力电 子装置的应用丨|益广泛，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置带来的谐 波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带來了 极大影响。因此，电力系

2、统谐波及其治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作 者而前，本文对谐波的产生、危害及谐波治理的方法进行探讨。谐波的产生产生谐波的根本原因在于电力系统中存在大量非线性负荷。当正弦基波电压（设电源阻抗为零时）作用于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形 不同；同时，畸变的电流乂会影响电流回路中的其它设备。但在实际系统中，电 源阻抗不为零，畸变电流将在电源阻抗上产生床降，使电源端电压发生畸变，从 而对系统中所有负荷产生影响。非线性负荷产生的谐波电流分量的数值与基波电 圧值和电力系统的阻抗无关。因此，大部分谐波源可看成是恒流源。一般，谐波 源可分为以下几类：1.1电源本身产生谐波由于发电机制造匸艺

3、的问题，致使电枢表而的磁感应强度分布稍稍偏离正弦 波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍稍偏 离正弦电流。儿个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。1.2非线性负载产生谐波谐波产生的另个原因是由于非线性负戦。当电流流经线性负载时，负载上 电流与施加电圧呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非止弦 电波，即产生了谐波。主要非线性负载装置产生的谐波有：（1）变压器空载合闸涌流产生谐波：铁芯中磁通变化时，会产生8至15 倍额定电流的涌流，由丁线圈电阻的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周 波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以3次谐波为主。

4、（2）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：电力电子调速系统普遍应用 于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电床特别敏 感，因此线路中瞬态过电圧会造成调速系统的过电圧保护误跳闸。由于与中斥母 线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生。（3）电压互感器铁磁谐振过电压：在我国10kV中性点不接地配电网中，为 了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。正常运行时，三相对地电压 是平衡的，但当发生单相接地等故障时，会导致三相对地电压不平衡，有可能使 电圧互感器线圈电感L和系统对地电容C在参数上满足谐振条件，从而产生谐振 过电压。（4）整流器和逆变器产生的谐

5、波电压、电流：整流器的作用将交流电转变 成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。从整流器的输出端看，每相电流 波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看 到除了工频正弦波外，还栓加了一系列高次波形一谐波。电动机采用变频器进行 调速，除高精度实现调速外，还节省大最电能，但变频调速过程中要产生高次谐 波，高次谐波的污染，干扰工艺测量变送器、可编程控制器及智能控制器的正常 工作，谐波还能使变压器、电动机、电容器及电抗器等产生过热。（5）电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用 电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而 在

6、熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源乂开 路，因此，冶炼过程是频繁的短路、开路、短路的过程，会引起用户端电压波动， 这种谐波以3次谐波为主。供配电系统谐波产生的危害1谐波对电能损耗的影响谐波增加了输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过高，降低了 设备的利用率和经济效益。在理想的正弦波的情况下，无功功率Q仅仅反映了电 能在电源与负载之间交换或传递的幅度。但是，在谐波环境下的无功功率Q中， 一部分反映了电能在电源与负载之间交换的幅度，还有一部分则主要做了 “无用 功”。这是因为多数用电设备都被设计成工作在50Hz的正弦波电网中，故它们不 能有效地利用谐波电流，丁

7、是这部分能量就只能通过发热、电磁辐射、振动和噪 音等途径耗散掉，成为“无用功”，并同时造成各种环境污染。（1）电力谐波对输电线路的影响谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐 振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。（2）电力谐波对变压器的影响谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐 波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁 电流的谐波分量。（3）电力谐波对电力电容器的影响含有电力谐波的电圧加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小, 谐波电流盜加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度

8、升高，寿命缩短，引 起电容器过负荷共至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波 谐振，使故障加剧。2谐波对继电保护和自动装置的影响特别对于电磁式继电器來说，电力谐波很可能引起继电保护及自动装置误动 或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力 系统的安全运行。2. 3谐波对功率因数的影响（1）谐波对功率因数计算方法的影响。功率因数是指有功功率和视在功率 比值，在系统存在谐波时的实际功率因数为：PF二P/S,式中，P是有功功率，S 是视在功率。在理想正弦波的情况下，功率因数COS0 =P1/S1,式中，P1是基 波的有功功率，S1是基波的视在功率。但是，在谐

9、波环境中，PFVcose, B|J： PF斗二占xgPFgXPFg式中，PFg为位移功率因数，PF“为畸变功率因数。（2）谐波对功率因数补偿方法的影响。传统的前电电容补偿方法只能解决 由于电流相位滞后导致的无功功率问题，而对由于谐波等频率不合所导致的无功 功率却无能为力。因此，在谐波环境中，计算静电补偿电容的容量时，应当扣除 畸变所致的无功功率，而且这部分无功功率必须用配置电抗器、滤波器等治理谐 波的方法解决。2.4谐波导致配电系统地谐振风险增大谐波会在热效应、耐床等方面给补偿电容器带来负面影响，故应根据谐波状 况来调整电容器的耐压参数。应当注意的是，谐波还会导致电容器过载、过热, 故谐波还会

10、影响电容器的容量选择。另外，配电系统中，无功补偿电容器和变压 器电抗在一定条件下可以形成串联或并联谐振电路。前者从电网吸入谐振频率及 其相近频率的谐波电流，从而导致电容器过载，同时在电容器和电感上产生极高 的电床，导致相关设备绝缘击穿；后者将向电网注入经谐振电路放大数倍的电流, 从而导致电容器、变床器及导线过载，同样也会产生极高的谐波电斥，导致相关 设备绝缘击穿。电力系统谐波的抑制1严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准，加强管理为了减少谐波的不良影响，电业部门必须把谐波管理纳人口常的生产管理中, 建章立制，采取技术措施，强化谐波监督管理。2整流设备的谐波抑制整流设备是电网中主要的谐波源之一，通过

11、改造换流装置，采取特殊的接线 方式或将相数较少的换流变压器联结成等效的多相形式，增加换流器相数，或利 用相互间有一定移相角的换流变压器，有效的消除较大的低次谐波。通过加大技 术改造力度，既可节省大量资金，乂能够达到抑制或降低谐波分量的理想效果。3. 3谐波的隔离非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器 后，还会影响到上儿级电网。如何使这些非线性用电设备产生的谐波不彫响或少 影响其他儿级电网，这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采 用，发电机发出的电能经过#/、Yo/A YO/Y等接线组别的变床器，把发电机 产生的3次、9次等零序分最的谐波与上级电网隔离开

12、来，因此在llOkv以上高 压电网上，3、9次谐波分量很小，几乎是零。而10kV由于大多数配变为Y/YO 接线，因此在10kV系统中，3、9次谐波分最会比高圧电网大。为了减少低床对 10kV电网的影响，在10kv配电系统中应推广使用D-ynll接线组别的配电变床 器，有效地减少3、9次谐波的影响。3.4装设静止无功补偿装置对大型电弧炉及晶闸管控制的调功等非线性设备，由于其负荷是瞬变型的, 因此宜装设能吸收动态谐波电流的静上无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的 能力。对于大容量的电力设备，特别是大容量的电容器组，回路内增设限流装置 或串联电抗器，以抑制电力谐波的产生。3. 5安装滤波器目前对变电

13、所侧和用户侧谐波治理的方法，大多采用安装滤波器来减少谐波 分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。有源滤波器的基本工作原理 是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，这是 谐波治理的发展方向。随着科学技术的发展，功率电子元件的成本下降，这一技 术一定会在谐波治理上占主导地位。无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其 在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电圧很小, 儿乎接近零，这类滤波器往往接在变圧器的二次侧出口处，从而使变压器的一次 侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于 对5、7、n次谐波治理中，而且往往同时采用两组以上滤波器，谐振在5、7次， 同时起补偿电容器组的作用。结束语随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，谐波问 题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，己引起人们的高度重视。谐波的研究 涉及到许多相关学科，因此，必须努力加强在应用基础方面的研究工作，采用谐 波治理方面的先进技术，推动我国电力系统谐波综合治理的进程。参考文献：1许克明.徐云.电力系统鬲次谐波M.币.庆：砲庆大学出版社，1旳1. 郝坷.