電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生危害及諧波治理

電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生危害及諧

波治理

LT

申報(bào)論文

（中級(jí)）

題目：電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理

單位：江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司

姓名：_________吳靜_____________

申報(bào)專(zhuān)業(yè)：化工電氣___________

2014年7月20S

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電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理

吳靜

【摘要】：闡述了電力系統(tǒng)的重要性，詳細(xì)分析

了電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因，對(duì)各類(lèi)電器及系統(tǒng)

設(shè)備的危害，諧波的抑制和治理

【關(guān)鍵詞】：電力系統(tǒng)；電力諧波；諧波危害；

諧波治理

引言

電力是現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)與生活不可缺少的一種主要能源形式。隨著電力

電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置帶來(lái)

的諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，給周?chē)姎猸h(huán)境

帶來(lái)了極大影響。因此，電力系統(tǒng)諧波及其治理的研究已經(jīng)嚴(yán)峻地?cái)[在了電力

科技工作者面前，本文對(duì)諧波的產(chǎn)生、危害及諧波治理的方法進(jìn)行探討。

諧波的產(chǎn)生

產(chǎn)生諧波的根本原因在于電力系統(tǒng)中存在大量非線性負(fù)荷。當(dāng)正弦基波電

壓（設(shè)電源阻抗為零時(shí)）作用于非線性負(fù)荷時(shí)，負(fù)荷吸收的電流與施加的電壓

波形不同；同時(shí)，畸變的電流又會(huì)影響電流回路中的其它設(shè)備。但在實(shí)際系統(tǒng)

中，電源阻抗不為零，畸變電流將在電源阻抗上產(chǎn)生壓降，使電源端電壓發(fā)生

畸變，從而對(duì)系統(tǒng)中所有負(fù)荷產(chǎn)生影響。非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流分量的數(shù)

值與基波電壓值和電力系統(tǒng)的阻抗無(wú)關(guān)。因此，大部分諧波源可看成是恒流源。

一般，諧波源可分為以下幾類(lèi)：

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1.1電源本身產(chǎn)生諧波

由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問(wèn)題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正

弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍

稍偏離正弦電流。幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。

1.2非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波

諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載

上電流與施加電壓呈線性關(guān)系;而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正

弦電波，即產(chǎn)生了諧波。主要非線性負(fù)載裝置產(chǎn)生的諧波有：

(1)變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波：鐵芯中磁通變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生8至15

倍額定電流的涌流，由于線圈電阻的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過(guò)幾個(gè)

周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流所含的諧波成份以3次諧波為主。

(2)單相電容器組開(kāi)斷時(shí)的瞬態(tài)過(guò)電壓干擾：電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用

于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過(guò)電壓特別

敏感，因此線路中瞬態(tài)過(guò)電壓會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)誤跳閘。由于與中

壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會(huì)經(jīng)常發(fā)生。

(3)電壓互感器鐵磁諧振過(guò)電壓：在我國(guó)10kV中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，

為了監(jiān)視對(duì)地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。正常運(yùn)行時(shí)，三相對(duì)地

電壓是平衡的，但當(dāng)發(fā)生單相接地等故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)地電壓不平衡，有

可能使電壓互感器線圈電感L和系統(tǒng)對(duì)地電容C在參數(shù)上滿足諧振條件，從而

產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。

(4)整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)變

成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。從整流器的輸出端看，每相電

流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)式展開(kāi)周期的矩形波形，可

以看到除了工頻正弦波外，還疊加了一系列高次波形一諧波。電動(dòng)機(jī)采用變頻

器進(jìn)行調(diào)速，除高精度實(shí)現(xiàn)調(diào)速外，還節(jié)省大量電能，但變頻調(diào)速過(guò)程中要產(chǎn)

生高次諧波，高次諧波的污染，干擾工藝測(cè)量變送器、可編程控制器及智能控

制器的正常工作，諧波還能使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器等產(chǎn)生過(guò)熱。

(5)電弧爐運(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用

電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，

而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬?gòu)碾姌O上落下，電弧熄滅，電源

又開(kāi)路，因此，冶煉過(guò)程是頻繁的短路、開(kāi)路、短路的過(guò)程，會(huì)引起用戶端電

壓波動(dòng)，這種諧波以3次諧波為主。

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二.供配電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的危害

2.1諧波對(duì)電能損耗的影響

諧波增加了輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過(guò)高，降低

了設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。在理想的正弦波的情況下，無(wú)功功率Q僅僅反映

了電能在電源與負(fù)載之間交換或傳遞的幅度。但是，在諧波環(huán)境下的無(wú)功功率Q

中，一部分反映了電能在電源與負(fù)載之間交換的幅度，還有一部分則主要做了

“無(wú)用功”。這是因?yàn)槎鄶?shù)用電設(shè)備都被設(shè)計(jì)成工作在50Hz的正弦波電網(wǎng)中，

故它們不能有效地利用諧波電流,于是這部分能量就只能通過(guò)發(fā)熱、電磁輻射、

振動(dòng)和噪音等途徑耗散掉，成為“無(wú)用功”，并同時(shí)造成各種環(huán)境污染。

(1)電力諧波對(duì)輸電線路的影響

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)

諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線路和電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。

(2)電力諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，

諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷的變壓器而言，會(huì)大大增加

勵(lì)磁電流的諧波分量。

(3)電力諧波對(duì)電力電容器的影響

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，

諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，

引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力

諧波諧振，使故障加劇。

2.2諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響

特別對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波很可能引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤

動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅

電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2.3諧波對(duì)功率因數(shù)的影響

(1)諧波對(duì)功率因數(shù)計(jì)算方法的影響。功率因數(shù)是指有功功率和視在功率

比值，在系統(tǒng)存在諧波時(shí)的實(shí)際功率因數(shù)為：PF=P/S,式中，P是有功功率，S

是視在功率。在理想正弦波的情況下，功率因數(shù)cos（D=Pl/Sl,式中，P1是基

波的有功功率，S1是基波的視在功率。但是，在諧波環(huán)境中，PFVcos①，即：

PF=三=《X?"PFdispXPFw式中，PFmp為位移功率因數(shù)，PF*'為畸變功率

O01.O

因數(shù)。

（2）諧波對(duì)功率因數(shù)補(bǔ)償方法的影響。傳統(tǒng)的靜電電容補(bǔ)償方法只能解決

由于電流相位滯后導(dǎo)致的無(wú)功功率問(wèn)題，而對(duì)由于諧波等頻率不合所導(dǎo)致的無(wú)

功功率卻無(wú)能為力。因此，在諧波環(huán)境中，計(jì)算靜電補(bǔ)償電容的容量時(shí)，應(yīng)當(dāng)扣

除畸變所致的無(wú)功功率，而且這部分無(wú)功功率必須用配置電抗器、濾波器等治

理諧波的方法解決。

2.4諧波導(dǎo)致配電系統(tǒng)地諧振風(fēng)險(xiǎn)增大

諧波會(huì)在熱效應(yīng)、耐壓等方面給補(bǔ)償電容器帶來(lái)負(fù)面影響，故應(yīng)根據(jù)諧波

狀況來(lái)調(diào)整電容器的耐壓參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是，諧波還會(huì)導(dǎo)致電容器過(guò)載、過(guò)

熱，故諧波還會(huì)影響電容器的容量選擇。另外，配電系統(tǒng)中，無(wú)功補(bǔ)償電容器

和變壓器電抗在一定條件下可以形成串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路。前者從電網(wǎng)吸入諧

振頻率及其相近頻率的諧波電流，從而導(dǎo)致電容器過(guò)載，同時(shí)在電容器和電感

上產(chǎn)生極高的電壓，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備絕緣擊穿；后者將向電網(wǎng)注入經(jīng)諧振電路放

大數(shù)倍的電流，從而導(dǎo)致電容器、變壓器及導(dǎo)線過(guò)載，同樣也會(huì)產(chǎn)生極高的諧

波電壓，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)名絕緣擊穿。

三.電力系統(tǒng)諧波的抑制

3.1嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理

為了減少諧波的不良影響，電業(yè)部門(mén)必須把諧波管理納人日常的生產(chǎn)管理

中，建章立制，采取技術(shù)措施，強(qiáng)化諧波監(jiān)督管理。

3.2整流設(shè)備的諧波抑制

整流設(shè)備是電網(wǎng)中主要的諧波源之一，通過(guò)改造換流裝置，采取特殊的接

線方式或?qū)⑾鄶?shù)較少的換流變壓器聯(lián)結(jié)成等效的多相形式，增加換流器相數(shù)，

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或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，有效的消除較大的低次諧波。通過(guò)

加大技術(shù)改造力度，既可節(jié)省大量資金，又能夠達(dá)到抑制或降低諧波分量的理

想效果。

3.3諧波的隔離

非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級(jí)電網(wǎng)，而且經(jīng)過(guò)變壓

器后，還會(huì)影響到上幾級(jí)電網(wǎng)。如何使這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響

或少影響其他幾級(jí)電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。這一方法在電網(wǎng)中

廣泛采用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)Y/A.Yo/A,YO/Y等接線組別的變壓器，

把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的3次、9次等零序分量的諧波與上級(jí)電網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái),因此在UOkv

以上高壓電網(wǎng)上，3、9次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數(shù)配變?yōu)?/p>

Y/YO接線，因此在10kV系統(tǒng)中，3、9次諧波分量會(huì)比高壓電網(wǎng)大。為了減少

低壓對(duì)10kV電網(wǎng)的影響，在10kv配電系統(tǒng)中應(yīng)推廣使用D-ynll接線組別的配

電變壓器，有效地減少3、9次諧波的影響。

3.4裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

對(duì)大型電弧爐及晶閘管控制的調(diào)功等非線性設(shè)備，由于其負(fù)荷是瞬變型的,

因此宜裝設(shè)能吸收動(dòng)態(tài)諧波電流的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波

的能力。對(duì)于大容量的電力設(shè)備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設(shè)限流

裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。

3.5安裝濾波器

目前對(duì)變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，大多采用安裝濾波器來(lái)減少諧

波分量。濾波器分為有源濾波器和無(wú)源濾波器兩大類(lèi)。有源濾波器的基本工作

原理是把電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償,

這是諧波治理的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，

這一技術(shù)一定會(huì)在諧波治理上占主導(dǎo)地位。無(wú)源濾波器是通過(guò)L、C串聯(lián)或并聯(lián),

使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電壓

很小，幾乎接近零，這類(lèi)濾波器往往接在變壓器的二次側(cè)出口處，從而使變壓

器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá)到對(duì)該次諧波治理的目的。串聯(lián)無(wú)源濾

波器多用于對(duì)5、7、n次諧波治理中，而且往往同時(shí)采用兩組以上濾波器，諧

振在5、7次，同時(shí)起補(bǔ)償電容器組的作用。

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四.結(jié)束語(yǔ)

隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，諧波

問(wèn)題涉及供電部門(mén)、電力用戶和設(shè)備制造商，己引起人們的高度重視。諧波的

研究涉及到許多相關(guān)學(xué)科，因此，必須努力加強(qiáng)在應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，

采用諧波治理方面的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

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慶：重慶大學(xué)出版社，1991.

[2]郝坷.電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)與治