四川省電力公司阿壩公司 孫 波

一、前言

諧波，是電力系統(tǒng)由于無法提供給用戶一個理想的恒定工頻的正弦波形電壓，所以分解周期性電流或電壓傅立葉而得到的基波整數(shù)倍分量含有量的頻率。

電能在理想的電力系統(tǒng)中為用戶提供的熱是恒定的幅值和頻率的三相平衡正序正弦電壓，但是由于負荷，電力系統(tǒng)在實際的運行中是隨機變化的，三相電壓的相位差、頻率、幅值沒有辦法保持恒定不變。諧波電流在供電系統(tǒng)中已經(jīng)出現(xiàn)多年，電子行業(yè)中普遍應用的高頻電源、電子鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源等電源設(shè)備，日常生活中大量使用的日光燈、家用電器等電器設(shè)備，以及礦山、化工、冶金企業(yè)中使用的大功率負荷的運行整流設(shè)備、爐、變頻調(diào)速設(shè)備等，都導致了大量的諧波電流注入電網(wǎng)，造成嚴重的電能質(zhì)量下降，正弦波畸變。這樣不僅嚴重危害到廣大用戶，也嚴重威脅到電力系統(tǒng)中的一些主要供電設(shè)備的安全運行。

本文將對諧波對電力系統(tǒng)的影響進行詳細論述，并討論諧波的產(chǎn)生情況，進而提出了諧波的治理方法，以此提高電源的品質(zhì)。

二、諧波的影響

諧波對各種電力系統(tǒng)都會產(chǎn)生不同程度的影響，主要有：

（一）諧波對電力設(shè)備的影響

1.諧波對電容器組的影響

在電容器中，電壓畸變會產(chǎn)生額外電力的損耗。過電壓和過電流會因為電容器和系統(tǒng)的其它部分之間的串聯(lián)和并聯(lián)諧振而引起，從而導致電容器過熱或者巨大的損耗，甚至會損壞電容器。

2.諧波對電力電纜的影響

諧波污染將會使干式電纜增加局部的放電，使電纜溫升增大、泄漏電流上升、輸電損耗增大、介質(zhì)損耗，從而增加單相的接地故障的可能性，電壓也會隨之升高。等級越高的電纜額定電壓，越是容易發(fā)生故障，因為此事由于諧波而引起的電纜介質(zhì)不穩(wěn)定的危險性在隨之增大。

（二）諧波對變壓器的影響

諧波電壓的存在使渦流損耗、絕緣的電場強度以及變壓器磁滯增加，還會增加銅的損耗。尤其是對于電力變壓器，在三角形接法的繞組內(nèi)的3次倍數(shù)的零序電流的環(huán)流，可能造成繞組的電流值超過額定值。

（三）諧波對電網(wǎng)的影響

諧波會影響電網(wǎng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性，主要表現(xiàn)在使正常的供電中斷、電網(wǎng)解裂、可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振等方面。它會使電動機、電力電纜、電力變壓器等設(shè)備發(fā)熱并損壞，并且使絕緣材料加速老化。諧波還會影響短路器的開斷容盤，導致短路器電弧的熄滅時間延長。電網(wǎng)的設(shè)備壽命縮短、線路和設(shè)備過熱、功率損耗、增加接地保護功能失常等也會因諧波的產(chǎn)生而常有發(fā)生，尤其是三次諧波產(chǎn)生的巨大的中性線電流，會導致配電變壓器的零線電流值或電壓值超過相線的電流值或電壓值，影響設(shè)備的安全運行。

諧波電壓在公用電網(wǎng)中的限值如表1。

（四）諧波對輸電線路的影響

流入電網(wǎng)的諧波電流對輸電線路產(chǎn)生的影響如下：增加了電流波形的有效值，因此引起了附加輸電的損耗；在各種電路的阻抗上諧波電流會產(chǎn)生諧波電壓降。在電纜正在輸電的時候，通過正比于其幅值電壓的形式，諧波電壓增加了介質(zhì)的電場強度，因此會使電纜的使用壽命縮短。輸電線路的長距離的輸電線路，輻射的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、分布電感和對地電容對諧波放大表現(xiàn)突出。同時不能忽視輸電線路的系統(tǒng)諧振問題及諧波的放大。

（五）諧波對繼電保護整定的影響

當電源諧波有著較高分量的時候，在繼電保護正常運行中，也許會錯誤地引起過電流保護、過電壓保護。在出現(xiàn)含量較高的正序性諧波或負序性諧波的情況下，如果三相極其不對稱，就會干擾并誤動以負序濾過器為啟動元件的保護裝置。諧波還會干擾繼電保護裝置關(guān)鍵處理模塊的正常工作，造成保護裝置拒動或者誤動。例如因電弧爐而產(chǎn)生的諧波的影響就在上海寶鋼發(fā)生過，諧波電流干擾了數(shù)字型差動保護，導致差動保護動作的跳閘事故。

（六）諧波對其他運行設(shè)備的影響

1.諧波對載波通信的影響

如果諧波的含量高，會干擾電力載波通信，這些干擾主要在造成集中抄表系統(tǒng)中數(shù)據(jù)出錯，降低DAS、EMS的實時數(shù)據(jù)的可靠性，數(shù)據(jù)在傳輸中失真以及在語音通信過程中產(chǎn)生噪音等方面表現(xiàn)。

2.諧波對消弧線圈的影響

消弧線圈在電網(wǎng)諧波的成分比較大的時候，產(chǎn)生單相的接地故障，可能對諧波電流不起作用，因而接地點沒有得到補償，擴大了系統(tǒng)故障。

3.諧波對斷路器的影響

諧波會降低某些斷路器的遮斷能力，無法遮斷超過一定限值波形畸變率的故障電流，磁吹線圈沒有辦法工作正常，重燃和諧頻涌波電壓現(xiàn)象可能會在中壓斷路器并且截斷電感電流的時候發(fā)生，并燒損斷路器的觸頭。

4.諧波對同步發(fā)電機的影響

附加的諧波分量會在輸出的電壓波形中產(chǎn)生，導致負載的同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)，并使壽命減短。同時，諧波電流和負序電流注入系統(tǒng)內(nèi)的同步發(fā)電機，導致發(fā)電機發(fā)熱，絕緣強度降低，并產(chǎn)生額外損耗。

三、諧波的來源

（一）諧波的產(chǎn)生

傳統(tǒng)的線性負載幾乎沒有諧波成分，它的電壓或者電流只含基波，但是在電力系統(tǒng)中非線性負載會產(chǎn)生較多的諧波。如純電阻負載，有著相同的輸入電壓的正弦波形和工作電流波形，是線性負載。而非線性負載則有著非正弦波形的工作流，如斬波直流負載。波形的畸變是由電力系統(tǒng)中的基波與諧波疊加造成的，諧波電流中的幅值和頻率決定其畸變的程度。非線性負載不產(chǎn)生正弦波電流，而是產(chǎn)生脈沖型電流。脈沖中的諧波電流由于造成電網(wǎng)電壓的畸變，產(chǎn)生了諧波分量，進一步和電網(wǎng)相聯(lián)的其他負載一同形成更多諧波電流。

分析傅立葉級數(shù)能夠得出此時的電壓和電流是由n次諧波與基波組合而成的，如下面兩個公式：

公式中，n為諧波次數(shù)，In為n次諧波電流有效值，Un為n次諧波電壓有效值，1ω為基波頻率；nα、nβ分別為n次諧波的電流和電壓初相角。

（二）諧波的來源

用戶變壓器群是諧波的主要來源之一。由于三相變壓器的鐵芯是“日”字形的，所以變壓器的三個磁路不對稱，導致變壓器勵磁電流中產(chǎn)生諧波分量。在加電壓激勵時空載三相變壓器的時候，諧波分量也會在勵磁電流中產(chǎn)生。雖然在實際運行時，這個諧波分量很小，但由于變壓器繞組接法以及各繞組和電網(wǎng)各相的連接統(tǒng)一規(guī)定時，則各臺變壓器勵磁電流里的同次諧波彼此疊加，形成了電網(wǎng)中諧波的重要來源。

表1 諧波電壓在公用電網(wǎng)中的限值

諧波的主要來源還有許多。如廣大家庭使用的計算機，它裝有一個電容型或者二極管的供電電源，是脈沖型電流的非線性負載之一。這樣的供電電源大量形成三次諧波電流，是由于這類電源只是在交流正弦波電壓達到峰值的時候產(chǎn)生電流。除此之外，在生活用電中產(chǎn)生諧波的電設(shè)備還有電視機、開關(guān)電源等，還有電泵、電鍍等各種生產(chǎn)用電，一些電流設(shè)備如固態(tài)加熱器，電動機變頻調(diào)速器等。這些電子設(shè)備數(shù)量龐大，集中起來產(chǎn)生的諧波所造成的危害是不容樂觀的，須引起重視。

四、諧波的治理

世界上許多國家都出臺了相關(guān)標準以及采取了具體的治理措施來解決諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴重的問題。這些標準有像IEEE 519-1992標準那樣的對產(chǎn)生電力污染的設(shè)備的進行限制，它要求單次諧波電壓畸變率只能達到基波電壓的3%。我國也采取了一些治理諧波污染的措施，提高了這方面的重視程度，并在提高電源品質(zhì)方面達到了良好的效果。我們根據(jù)實際情況，提出治理諧波污染的主要手段有：

為了盡量減小諧波帶來的影響，我們可以在工業(yè)設(shè)計中盡量避開產(chǎn)生諧波的可能。根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》JGJ/T16-923.3.10，要求在選型中頻爐等非線性用電大功率設(shè)備的時候，盡可能地去選擇較高的電壓。在無功補償設(shè)計中除了驗算基波，著重避免系統(tǒng)感抗與并聯(lián)電容器的諧振，還要避開3、5、7等這些主要諧波的參數(shù)，以防這些次的諧波產(chǎn)生諧振。

為了減少諧波對系統(tǒng)電器設(shè)備的影響，可以通過盡量避免以高電壓、輕負荷的狀態(tài)運行，注意在運行的時候的實時控制等方面解決；若是想減少在變壓器群中產(chǎn)生諧波，可以將配變中間相改變轉(zhuǎn)接A或C相；減弱諧波對電網(wǎng)其他設(shè)備的影響，可以采取改變接線方式、改變部分運行，增加電網(wǎng)短路容量、提高電氣設(shè)備短路等方式，來減小諧波產(chǎn)生危害的機會。

我們還要因地制宜，有針對性的對我國諧波源進行治理。如我們可以對產(chǎn)生大量諧波的用戶，在用戶變壓器低壓側(cè)加裝濾波裝置。裝置可以分為有源電力濾波器和無源電力濾波器。有源電力濾波器通過諧波采樣裝置采集諧波源發(fā)出的諧波后，復制出方向相反、大小相等的完整的諧波，將諧波接入電網(wǎng)與原來的諧波抵消，它產(chǎn)生隨諧波源的變化而變化的諧波，實際上是一個大功率的諧波發(fā)生器。無源電力濾波器則可以通過電感、電容諧振的原理阻止相對應次數(shù)的諧波，將電壓畸變率一直保持在一個比較低的水平。

五、結(jié)語

綜上所述，通過詳盡有效地了解諧波在各個方面對電力設(shè)備、變壓器、電網(wǎng)、輸電線路、繼電保護整定等電力系統(tǒng)中一些運行設(shè)備的影響，分析諧波產(chǎn)生的原因以及來源，我們可以看到諧波對電力系統(tǒng)的影響十分嚴重，需要引起我們對這方面的重視，努力去鑄就一個良好的電力系統(tǒng)環(huán)境。所以我們必須加強對諧波的危害影響的認識，考慮到諧波在工業(yè)設(shè)計、設(shè)備選型、電網(wǎng)規(guī)劃等方面的影響，并根據(jù)各個方面的具體情況采取合理的治理方法，讓我們的電力系統(tǒng)運行得有條不紊，從而提高電源的品質(zhì)。

[1]鄭莉莎.在有諧波背景的系統(tǒng)中進行無功補償?shù)奶接慬J].有色金屬加工,2010,39(4):60-62.

[2]肖文英,張振飛.電鐵諧波對電力系統(tǒng)的影響和對策[J].中國電力教育,2011,(15):100-101.

[3]樊春雷,續(xù)建國,吳廣寧,張雪原,王金浩,何常紅.電鐵諧波的測量與仿真分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報,2009,21(3):115-120.

[4]程海.諧波的危害及治理[J].山西建筑,2010,36(36):179-180.

[5]潘一峰.諧波的影響及治理[J].有色冶金設(shè)計與研究,30(1):16-18,39.

[6]繆春瓊,姚永鴻,方勇.諧波對電力系統(tǒng)的影響及治理[J].云南電業(yè),2010(3):39-40.

[7]李遙生.牽引供電系統(tǒng)負序電流研究[J].民營科技,2012(4):45.