宋海英 周日紅

（1.中國聯(lián)合工程公司 浙江 杭州 310022；2.高地〈杭州〉房產(chǎn)開發(fā)有限公司 浙江 杭州 310000）

隨著科學的進步和人們生活水平的日益提高，越來越多的電力電子產(chǎn)品應用于日常生活中，這些非線形負載，致使電力電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波。這些設備產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)質(zhì)量、電器設備、通訊系統(tǒng)等有很大危害。因此，諧波的測量、治理與抑制諧波意義重大。

在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致，非線性負載即諧波源。民用建筑電氣中，主要的諧波源有（1）照明系統(tǒng)中的照明鎮(zhèn)流器、調(diào)光設備（相位角控制器）。（2）計算機、復印機、打印機等辦公自動化設備。（3）UPS不間斷電源及開關電源。（4）電梯、水泵、空調(diào)等動力設備中普遍應用的變頻傳動裝置（VFD）（5）其他非線形家用電器和電子設備。當電流流經(jīng)這些負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中產(chǎn)生了諧波。非正弦波通常是周期性電氣分量，,根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是非正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，按諧波次數(shù)可以分為偶次諧波與奇次諧波。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。故奇次諧波對電力系統(tǒng)的危害更大。對于三相整流負載,出現(xiàn)的諧波電流是 6n±1 次諧波,例如 5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。諧波具有疊加性，例如當電網(wǎng)中僅有3次諧波出現(xiàn)時，對原有正弦基波波形影響如圖1所示；當3次、5次諧波同時出現(xiàn)時，就會使正弦波明顯地發(fā)生了變化，影響如圖2所示。

圖1 u1、u3及其疊加波形

圖2 u1、u3、u5及其疊加波形

如果繼續(xù)疊加，原正弦波就會發(fā)生質(zhì)的變化?？梢姡C波對電網(wǎng)影響之大。

民用建筑電氣中，諧波對電網(wǎng)的危害主要有:

（1）增加了變壓器和用電設備的附加損耗。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導體時，集膚效應、磁滯、渦流也更大，變壓器的銅損、鐵損也更大，從而增加了變壓器的、電能損耗。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固體的發(fā)熱。變壓器的發(fā)熱程度直接影響變壓器使用容量，有可能引起變壓器局部嚴重過熱，形成額外溫升而要考慮降容問題。

（2）電源對現(xiàn)代建筑輸電線路影響大。

諧波流過電力電纜時，因電纜的分布電容可放大諧波，電纜的集膚效應加重，使電纜過熱，附加損耗增大，電力電纜載流能力降低或燒壞導線，引發(fā)火災。同時，高次諧波含量較高的電流將使斷路器的分斷能力降低。這是因為當電流的有效值相同時，波形畸變嚴重的電流與正弦波形的電流相比，在電流過零處的可能較大。當存在嚴重的諧波電流時，某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，開斷將更為困難，而且由于開斷時間延長而延長了故障電流切除時間，容易造成電弧重燃，發(fā)生短路，甚至斷路器爆炸。

（3）影響電力測量儀器儀表讀數(shù)的準確性。

電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，當采用電子式電能表計量時，非線性負荷端，電能表除記錄了負荷吸收的基波電能外會扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷端，電能表記錄的是負荷吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。

（4）諧波會影響辦公、民用低壓電器的正常運行，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。

計算機、繪圖儀、打印機和很多家用電器、燈具既是小型或微型諧波源，又是受諧波有害影響的電器。諧波會使計算機數(shù)據(jù)丟失程序出錯，影響自動控制的家用電器的正常工作，如電視機、收音機、洗衣機等熒光燈的伏安特性是嚴重非線性的，因此會引起嚴重的諧波電流，其中3次諧波電流含量最高，同時電網(wǎng)中的諧波叉會使日光燈、白熾燈異常發(fā)熱減少使用壽命，特別是對白熾燈光源的的影響，美國tES照明手冊指出，若諧波引起電壓升高5%，則白熾燈壽命降低47%。

（5）對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

諧波對通信系統(tǒng)的干擾是一個在國際上被十分重視的問題，對此已進行了充分的研究。諧波會對鄰近通信線路產(chǎn)生諧波電壓的靜電干擾和諧波電流的電磁干擾，諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪音，降低信號的傳輸質(zhì)量，降低語占或圖像的清晰度，干擾嚴重時會破壞信號的正常傳遞，引起信號的丟失，使系統(tǒng)無法正常工作。在電力線載波通信的系統(tǒng)中，由于諧波的影響，造成系統(tǒng)誤動作，甚至無法運行。電力網(wǎng)中的平衡電流一般對通信系統(tǒng)影響不大，而不平衡電流，特別是不平衡諧波電流對通信系統(tǒng)可能產(chǎn)生嚴重的干擾。

認識到諧波的危害，對配電網(wǎng)中的高次諧波的測量與治理十分的重要。諧波測量應在最嚴重的條件下進行。諧波的測量方法有:基于傅立葉變換的測量方法;基于瞬時無功功率理論的測量方法;基于神經(jīng)網(wǎng)絡的檢測方法;基于小波分析的檢測方法.以上方法是目前諧波檢測的主要方法，我們可以根據(jù)不同的情況選擇測量算法。傅立葉算法是目前諧波測量中最基本的方法，廣泛應用于諧波測量儀器當中；以瞬時無功功率理論為基礎，可以得出實時檢測有源電力濾波器的諧波和無功電流的方法，也可應用于無功補償?shù)戎C波抑制領域；小波分析和人工神經(jīng)網(wǎng)絡是目前諧波測量方法的熱門問題，是正在研究的新方法、新理論，它可以提高諧波測量的實時性和精度。隨著電網(wǎng)中非線性負荷的增多，諧波污染日益嚴重。今后的諧波測量算法應該從簡單的函數(shù)分析方法向復雜的數(shù)值分析和信號處理方向發(fā)展，同時這些算法應該是智能化的。諧波測量裝置，按測量功能分有頻譜分析儀和諧波分析儀。民用建筑電氣中，根據(jù)測量得出:熒光燈、緊湊節(jié)電燈、電腦、電視、電冰箱、洗衣機、單相變頻空調(diào)等，諧波電流的特征頻率為3、.5、7次，而3次最大；三相變頻調(diào)速風機、水泵、電梯諧波電流的特征頻率為5、7、11次，而5次最大。抑制諧波方法基本思路有三，其一是裝設諧波補償裝置來補償諧波，其二是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，其三是市電網(wǎng)絡中采用適當措施來抑制諧波，具體方法有以下幾種:

（1）安裝適當電抗器

變頻器輸入側(cè)功率因數(shù)取決于裝置內(nèi)部AC-DC變換電路系統(tǒng)，可利用并聯(lián)功率因數(shù)教正DC電抗器，電源側(cè)串聯(lián)AC電抗器方法，使進線電流THDV大約降低30%-50%，是不加電抗器諧波電流一半左右。

（2）裝設有源電力濾波器

除傳統(tǒng)LC調(diào)試濾波器目前還應用外，目前諧波抑制一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。它串聯(lián)或是并聯(lián)于主電路中，實時從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等，方向想反補償電流，使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化諧波進行跟蹤補償，其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大危險，倍受關注，日本等國已獲廣泛應用。

（3）采用多相脈沖整流

條件允許或是要求諧波限制比較小情況下，可采用多相整流方法。12相脈沖整流THDV大約為10%-15%，18相脈沖整流THDV約為3%-8%，滿足國際標準要求。缺點是需要專用變壓器，不利于設備改造，價格較高。

（4）使用濾波模塊組件

目前市場上有很多專門用于抗傳導干擾濾波模件或組件。這些濾波器具有較強干擾能力，同時還具有防用電器本身干擾傳導給電源，有些還兼有尖峰電壓吸收功能，對各類用電設備有很多好處。

（5）開發(fā)新型變流器

大容量變流器減少諧波主要方法是采用多重化技術(shù)。幾千瓦到幾百千瓦高功率因數(shù)整流器主要采用PWM逆變器可構(gòu)成四象限交流調(diào)速用變頻器。這種變頻器輸出電壓、電流為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1，還可以實現(xiàn)能量雙向傳遞，代表了這一技術(shù)發(fā)展方向。

（6）選用D-YN11接線組別三相配電變壓器三相變壓器中把高壓側(cè)繞組接成三角形，低壓繞組為星型且中性點和“11”連接以保證相電動勢接近于正弦形，避免相電動勢波形畸變影響。此時，由區(qū)低壓電網(wǎng)供電220V負荷，線路電流不會超過30A，可用220V單相供電，否則應以220/380V三相四線供電。

總之，一般住宅建筑，尚未發(fā)現(xiàn)諧波造成嚴重后果實例的報導?，F(xiàn)階段，可不考慮以濾波器抑制諧波而宜采用調(diào)諧濾波電容器。但對于公共建筑和通訊機樓，數(shù)據(jù)中心應裝設調(diào)諧濾波電容器組。在設計階段，當無法估算諧波值時，不應盲目地采用有源或無源濾波器，或采用調(diào)諧濾波電容器組。需系統(tǒng)運行之后，根據(jù)實測諧波量，再確定諧波抑制辦法。

［1］宋文南,劉寶仁.電力系統(tǒng)諧波分析[M].北京:水利電力出版社，1995.

［2］王兆安,楊君.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社，1998.