1、 /7申報論文（中級）題目：電力系統諧波的產生、危害及諧波治理單 位：江蘇中能硅業科技發展有限公司姓 名：吳靜申報專業：化工電氣2014 年 7 月 20 日電力系統諧波的產生、危害及諧波治理吳靜【摘要】：闡述了電力系統的重要性，詳細分析了電力系統諧波產生的原因，對各類電器及 系統設備的危害，諧波的抑制和治理【關鍵詞】：電力系統；電力諧波；諧波危害；諧波治理引言電力是現代人類社會生產與生活不可缺少的一種主要能源形式。隨著電力電 子裝置的應用丨|益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置帶來的諧 波問題對電力系統安全、穩定、經濟運行構成潛在威脅，給周圍電氣環境帶來了 極大影響。因此，電力系

2、統諧波及其治理的研究已經嚴峻地擺在了電力科技工作 者而前，本文對諧波的產生、危害及諧波治理的方法進行探討。諧波的產生產生諧波的根本原因在于電力系統中存在大量非線性負荷。當正弦基波電壓（設電源阻抗為零時）作用于非線性負荷時，負荷吸收的電流與施加的電壓波形 不同；同時，畸變的電流乂會影響電流回路中的其它設備。但在實際系統中，電 源阻抗不為零，畸變電流將在電源阻抗上產生床降，使電源端電壓發生畸變，從 而對系統中所有負荷產生影響。非線性負荷產生的諧波電流分量的數值與基波電 圧值和電力系統的阻抗無關。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：1.1電源本身產生諧波由于發電機制造匸藝

3、的問題，致使電樞表而的磁感應強度分布稍稍偏離正弦 波，因此，產生的感應電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產生的電流稍稍偏 離正弦電流。兒個這樣的電源并網時，總電源的電流也將偏離正弦波。1.2非線性負載產生諧波諧波產生的另個原因是由于非線性負戦。當電流流經線性負載時，負載上 電流與施加電圧呈線性關系；而電流流經非線性負載時，則負載上電流為非止弦 電波，即產生了諧波。主要非線性負載裝置產生的諧波有：（1）變壓器空載合閘涌流產生諧波：鐵芯中磁通變化時，會產生8至15 倍額定電流的涌流，由丁線圈電阻的存在，變壓器空載合閘涌流一般經過幾個周 波即可達到穩定。所產生的勵磁涌流所含的諧波成份以3次諧波為主。

4、（2）單相電容器組開斷時的瞬態過電壓干擾：電力電子調速系統普遍應用 于工業中改進電機效率及靈活性設備，調速裝置內電力電子器件對過電床特別敏 感，因此線路中瞬態過電圧會造成調速系統的過電圧保護誤跳閘。由于與中斥母 線相連的電容器要經常操作，這意味著調速系統誤跳閘事故會經常發生。（3）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國10kV中性點不接地配電網中，為 了監視對地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。正常運行時，三相對地電壓 是平衡的，但當發生單相接地等故障時，會導致三相對地電壓不平衡，有可能使 電圧互感器線圈電感L和系統對地電容C在參數上滿足諧振條件，從而產生諧振 過電壓。（4）整流器和逆變器產生的諧

5、波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉變 成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。從整流器的輸出端看，每相電流 波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數展開式展開周期的矩形波形，可以看 到除了工頻正弦波外，還栓加了一系列高次波形一諧波。電動機采用變頻器進行 調速，除高精度實現調速外，還節省大最電能，但變頻調速過程中要產生高次諧 波，高次諧波的污染，干擾工藝測量變送器、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、電動機、電容器及電抗器等產生過熱。（5）電弧爐運行引起電壓波動：隨著冶煉工業的發展，當然會更多地使用 電弧爐，這是一個重要負荷。運行時，電極和金屬碎粒之間會發生頻繁斷路，而 在

6、熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅，電源乂開 路，因此，冶煉過程是頻繁的短路、開路、短路的過程，會引起用戶端電壓波動， 這種諧波以3次諧波為主。供配電系統諧波產生的危害1諧波對電能損耗的影響諧波增加了輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過高，降低了 設備的利用率和經濟效益。在理想的正弦波的情況下，無功功率Q僅僅反映了電 能在電源與負載之間交換或傳遞的幅度。但是，在諧波環境下的無功功率Q中， 一部分反映了電能在電源與負載之間交換的幅度，還有一部分則主要做了 “無用 功”。這是因為多數用電設備都被設計成工作在50Hz的正弦波電網中，故它們不 能有效地利用諧波電流，丁

7、是這部分能量就只能通過發熱、電磁輻射、振動和噪 音等途徑耗散掉，成為“無用功”，并同時造成各種環境污染。（1）電力諧波對輸電線路的影響諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧 振點附近的諧振區內時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。（2）電力諧波對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強度，諧 波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁 電流的諧波分量。（3）電力諧波對電力電容器的影響含有電力諧波的電圧加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小, 諧波電流盜加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度

8、升高，壽命縮短，引 起電容器過負荷共至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波 諧振，使故障加劇。2諧波對繼電保護和自動裝置的影響特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波很可能引起繼電保護及自動裝置誤動 或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統事故，嚴重威脅電力 系統的安全運行。2. 3諧波對功率因數的影響（1）諧波對功率因數計算方法的影響。功率因數是指有功功率和視在功率 比值，在系統存在諧波時的實際功率因數為：PF二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COS0 =P1/S1,式中，P1是基 波的有功功率，S1是基波的視在功率。但是，在諧

9、波環境中，PFVcose, B|J： PF斗二占xgPFgXPFg式中，PFg為位移功率因數，PF“為畸變功率因數。（2）諧波對功率因數補償方法的影響。傳統的前電電容補償方法只能解決 由于電流相位滯后導致的無功功率問題，而對由于諧波等頻率不合所導致的無功 功率卻無能為力。因此，在諧波環境中，計算靜電補償電容的容量時，應當扣除 畸變所致的無功功率，而且這部分無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諧波導致配電系統地諧振風險增大諧波會在熱效應、耐床等方面給補償電容器帶來負面影響，故應根據諧波狀 況來調整電容器的耐壓參數。應當注意的是，諧波還會導致電容器過載、過熱, 故諧波還會

10、影響電容器的容量選擇。另外，配電系統中，無功補償電容器和變壓 器電抗在一定條件下可以形成串聯或并聯諧振電路。前者從電網吸入諧振頻率及 其相近頻率的諧波電流，從而導致電容器過載，同時在電容器和電感上產生極高 的電床，導致相關設備絕緣擊穿；后者將向電網注入經諧振電路放大數倍的電流, 從而導致電容器、變床器及導線過載，同樣也會產生極高的諧波電斥，導致相關 設備絕緣擊穿。電力系統諧波的抑制1嚴格貫徹執行有關電力諧波的國家標準，加強管理為了減少諧波的不良影響，電業部門必須把諧波管理納人口常的生產管理中, 建章立制，采取技術措施，強化諧波監督管理。2整流設備的諧波抑制整流設備是電網中主要的諧波源之一，通過

11、改造換流裝置，采取特殊的接線 方式或將相數較少的換流變壓器聯結成等效的多相形式，增加換流器相數，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。通過加大技 術改造力度，既可節省大量資金，乂能夠達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備產生的諧波，它不僅直接影響到本級電網，而且經過變壓器 后，還會影響到上兒級電網。如何使這些非線性用電設備產生的諧波不彫響或少 影響其他兒級電網，這也是諧波治理的一個基本方法。這一方法在電網中廣泛采 用，發電機發出的電能經過#/、Yo/A YO/Y等接線組別的變床器，把發電機 產生的3次、9次等零序分最的諧波與上級電網隔離開

12、來，因此在llOkv以上高 壓電網上，3、9次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于大多數配變為Y/YO 接線，因此在10kV系統中，3、9次諧波分最會比高圧電網大。為了減少低床對 10kV電網的影響，在10kv配電系統中應推廣使用D-ynll接線組別的配電變床 器，有效地減少3、9次諧波的影響。3.4裝設靜止無功補償裝置對大型電弧爐及晶閘管控制的調功等非線性設備，由于其負荷是瞬變型的, 因此宜裝設能吸收動態諧波電流的靜上無功補償裝置，提高供電系統承受諧波的 能力。對于大容量的電力設備，特別是大容量的電容器組，回路內增設限流裝置 或串聯電抗器，以抑制電力諧波的產生。3. 5安裝濾波器目前對變電

13、所側和用戶側諧波治理的方法，大多采用安裝濾波器來減少諧波 分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。有源濾波器的基本工作原理 是把電源側的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進行補償，這是 諧波治理的發展方向。隨著科學技術的發展，功率電子元件的成本下降，這一技 術一定會在諧波治理上占主導地位。無源濾波器是通過L、C串聯或并聯，使其 在某次諧波產生諧振，當發生串聯諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電圧很小, 兒乎接近零，這類濾波器往往接在變圧器的二次側出口處，從而使變壓器的一次 側該次諧波的分量也很小，達到對該次諧波治理的目的。串聯無源濾波器多用于 對5、7、n次諧波治理中，而且往往同時采用兩組以上濾波器，諧振在5、7次， 同時起補償電容器組的作用。結束語隨著非線性電力設備的廣泛應用，電力系統中諧波問題越來越嚴重，諧波問 題涉及供電部門、電力用戶和設備制造商，己引起人們的高度重視。諧波的研究 涉及到許多相關學科，因此，必須努力加強在應用基礎方面的研究工作，采用諧 波治理方面的先進技術，推動我國電力系統諧波綜合治理的進程。參考文獻：1許克明.徐云.電力系統鬲次諧波M.幣.慶：砲慶大學出版社，1旳1. 郝坷.