原创 电力系统中的谐波及其抑制

一、概述

正常电力电源的电压为正弦波，但实际的供电电压会因某些原因而偏离正弦波，即产生谐波。谐波又称高次谐波，是一些频率为基波频率（我国市电基波频率为50 Hz）整数倍的正弦分量。谐波产生的原因是非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，结果导致电力质量变差。

二、谐波源

1、具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器和电抗器等；

2、具有强烈非线性特性并能产生电弧现象的设备，如气体放电灯、交流弧焊机和炼钢电弧炉等；

3、以电力电子元件为基础的电源设备，如各种电力变流设备(整流器、逆变器和变频器)、相控调速与调压装置、大容量电力晶闸管可控开关设备等。

非线性电气设备（或非线性负荷）的显著特点是它们从电网上取用非正弦电流，即通过它们的电流不随正弦电压同步线性变化，使流过电网的电流偏离正弦波。这种电流波形由基波和与基波频率成整数倍的谐波合成高次谐波，从而导致电网电压失真。同时，电网还须向此类负荷产生的谐波提供额外电能。

谐波电流分为稳定谐波和变化谐波两类。稳定谐波的电流幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波。变化谐波的各次谐波的电流幅度随时变化，如激光打印机、复印机和微波炉等设备能产生随时间变化的谐波。

三、谐波的危害

供电系统中谐波的危害主要包括如下方面：

1、增加发、输、供和用电设备的额外能耗

谐波高频电流通过导体时能产生集肤效应，使导体有效电阻增加，从而增加设备的功率损耗，发热严重。

（1）对旋转电机的影响

谐波对旋转电机的危害主要是产生附加损耗和附加转矩。由于集肤效应、磁滞和涡流等随着频率的增高，在旋转电机的铁心和绕组中的附加损耗也增加。在供电系统中，电动机负荷约占总负荷的85%，因此，谐波使总附加损耗增加的影响最显著。谐波引起电动机的热效应是按它所能承受的谐波电压折算成等值的基波逆序电压来考虑的，在额定出力下当持续承受额定电压3%的逆序电压时，电动机绝缘寿命会减少一半。在国际上一般建议持续工作的电动机所承受的逆序电压不宜超过额定电压的2% 。

谐波转矩对电动机平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，使电机转轴扭曲振动。该振动力矩会使汽轮发电机转子元件扭振，使汽轮机叶片产生疲劳循环。

（2）对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍次谐波对三角形连接的变压器，会在绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

（3）对输电线路的影响

由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在电网损耗中，变压器和输电线路损耗占大部分，谐波更使电网损耗和三相供电系统中的中线电流增大。当输电线路存在分布线路电感和对地电容及它们与设备谐波组成串联或并联回路时，在一定的参数条件下，会发生串联或并联谐振。通常，并联谐波谐振所产生的谐波过压和过流对设备的危害性较大。当注入电网的谐波频率处于网络谐振点附近时，会激励电感和电容产生部分谐振，造成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、电流增大将引起继电保护装置误动，甚至损坏设备。与此同时，还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大 10~20 倍，而感抗约为架空线路的1/2~1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，导致绝缘击穿。

（4）对电力电容器的影响

谐波电压增高会加速电容器老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而缩短电容器寿命并容易发生故障。另外，当电容器的容抗与电网感抗组成的谐振回路的谐振频率接近或等于某谐波分量频率时，会产生过大的谐波电流并造成电容器因过热、过压而不能正常运行，甚至损坏。

2、影响继电保护和自动装置的工作和可靠性

谐波对电力系统中以逆序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按逆序（基波）量整定的保护装置，其整定值小、灵敏度高。在逆序基础上再叠加谐波干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源或逆序源）则会引起发电机逆序电流保护误动，变电站主变的复合电压启动过电流保护装置逆序电压元件误动，母线差动保护的逆序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

3、干扰电力电量测量仪器仪表

电力计量装置是按50 Hz正弦波标准设计的，电路中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。当有谐波源存在时，谐波源用户的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能。虽然谐波源污染了电网，但电能计费却偏低。线性负荷用户的电能表记录的是基波电能及部分谐波电能，谐波电能不但使线性负荷性能变坏，还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷的用户。

4、干扰通信系统的工作

电力线路上的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，影响线路通信质量，有时会在谐波和基波的共同作用下，触发通信设备；在极端情况下，还会威胁设备和人员的安全。另外，在高压直流 (HVDC) 换流站换相过程中产生的电磁噪声（3~10 kHz）会干扰电力载波通信，使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。

5、对用电设备的影响

谐波会使电视机和计算机的图像发生畸变，画面亮度发生波动，并使机内的元件出现过热，使计算机数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯和汞灯而言，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管出现误动作，使控制回路出现误触发。

四、抑制谐波的主要措施

1、增加换流装置的相数

换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与 直流侧产生的特征谐波次数分别为pk ± 1和pk（p为整流相数或脉动数，k为正整数）。当脉动数 p从6增加到12 时，可有效消除幅度较大的低频项（其特征谐波次数分别为12 k ± 1和12 k），从而大大降低了谐波电流的有效值。

2、加装滤波装置（无源和有源滤波装置）

为了减少谐波对供电系统的影响，其根本是要消除谐波源，设法在谐波源附近减少谐波电流，从而降低谐波电压。装设交流滤波器，可有效抑制谐波电流，使电网电压畸变减轻，电力质量得以提高。同时，也可使大功率负荷的效率充分发挥，使用寿命相对延长。滤波器因提供容性无功功率而具有一定的无功补偿作用，使系统的功率因数提高。按主回路中是否包含有源器件可将滤波器细分为有源滤波器和无源滤波器两类。