樸偉利

【摘要】諧波在供電系統(tǒng)中的存在是必然的，也是長期治理的對象。隨著半導(dǎo)體電子電力元器件的廣泛應(yīng)用，電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波越來越嚴(yán)重。諧波首先是增加了電網(wǎng)中電氣設(shè)備的損耗，并減少一些設(shè)備的壽命，嚴(yán)重時還會對通信設(shè)備產(chǎn)生誤操作，對電能的計量裝置產(chǎn)生影響，干擾了正常的收費，造成收費不公平等等，在治理措施中，除了嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)外，還可以采取提高換流裝置的相數(shù)和增加動態(tài)無功率補(bǔ)償裝置。本文簡單介紹了諧波產(chǎn)生的原因和一些對策，著重分析了諧波對電網(wǎng)設(shè)備造成的損害。

【關(guān)鍵詞】供電系統(tǒng)：諧波；損耗；對策

【中圖分類號】TM72 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0046-01

一、諧波產(chǎn)生的原因

諧波的出現(xiàn)在供電系統(tǒng)中是必然的，電能從產(chǎn)生、傳輸和變換使用等各個環(huán)節(jié)都會產(chǎn)生諧波。但是通常在發(fā)電環(huán)節(jié)我們可以采取一定的措施，認(rèn)為發(fā)電機(jī)提供的是具有基波頻率的正弦波電壓，配電系統(tǒng)中的諧波多認(rèn)為是其他環(huán)節(jié)產(chǎn)生的。諧波的產(chǎn)生主要是在轉(zhuǎn)換和使用過程中的一些具有非線性特性的電氣設(shè)備所產(chǎn)生的，這里主要分為三類：一是主要以具有非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的電氣設(shè)備，例如氣體放電燈、煉鋼電弧爐和交流弧焊接機(jī)等等；二是具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，主要有變壓器、電抗器等等電氣設(shè)備；三是以電力電子元器件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源，包括整流設(shè)備、逆變器、變頻器等等。這些電氣設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)、開礦和日常生活中經(jīng)常用到。這些設(shè)備即使在電網(wǎng)中獲得的電壓是正弦波，但是由于其負(fù)荷端的設(shè)備的電流是隨著非線性的電壓和電流流過設(shè)備的，從設(shè)備出來的電流就是非線性的，而這些非線性的電流最后匯人供電系統(tǒng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)嚴(yán)重失真。而諧波也分為穩(wěn)定諧波和波動諧波，穩(wěn)定諧波產(chǎn)生的振幅并不隨時間變化，而波動諧波會隨著時間發(fā)生變化。電網(wǎng)中的設(shè)備總是在增加，產(chǎn)生的諧波振幅越來越大，最終影響到電網(wǎng)中電氣設(shè)備的正常使用。電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波也是供電系統(tǒng)中諧波最終的來源。

二、諧波給配電系統(tǒng)造成的危害

諧波在配電系統(tǒng)中一直都是存在的，但是以前人們很少注意到它的危害，一方面過去的電氣設(shè)備對電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求不高，尤其是沒有半導(dǎo)體設(shè)備的時代；另一方面，因為沒有半導(dǎo)體設(shè)備，因此產(chǎn)生諧波主要設(shè)備是變壓器和以電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，產(chǎn)生的諧波并不嚴(yán)重。但是隨著電力電子進(jìn)入半導(dǎo)體時代，各種以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的開關(guān)電源大量應(yīng)用，因此產(chǎn)生諧波的振幅越來越大，逐漸影響到了電氣設(shè)備的正常使用。下面分析一下諧波給供電系統(tǒng)造成的危害。

（一）增加整個供電系統(tǒng)的附加損耗

諧波的產(chǎn)生將對整個供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，尤其是增加系統(tǒng)的附加損耗，主要包括旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、輸電線路和電容電器。首先，諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要包括增加損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)和渦流、磁滯等的存在，隨著頻率的不斷增大，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組都會增加損耗，而在發(fā)電系統(tǒng)中電機(jī)的負(fù)荷約占總負(fù)荷的80%以上，因此諧波增加的損耗就非常明顯。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩一般不會影響到電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，但是諧波產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩會使電機(jī)產(chǎn)生扭振，還會使汽輪機(jī)產(chǎn)生疲勞循環(huán)。其次，諧波一定會對變壓器產(chǎn)生影響，首當(dāng)其沖的就是增加變壓器的銅損耗，會在三角形連接的變壓器中產(chǎn)生環(huán)流，使繞組發(fā)熱。而對于星形連接的變壓器，如果繞組的中性點接地，而且該側(cè)的電容較大，就可能出現(xiàn)次諧波諧振，使得變壓器的附加損耗增加。再次，諧波對輸電線路的影響。輸電線路的阻抗會隨著頻率的改變而改變，在集膚效應(yīng)的影響下，會增加輸電線路的損耗。在供電電網(wǎng)中損耗最大的就是變壓器和輸電線路，諧波的出現(xiàn)會增加三相供電系統(tǒng)中中性線的電流，甚至導(dǎo)致過載。最后，諧波對電力電容器的影響。諧波電壓的增高會影響電容器的使用壽命，增加電容器的損耗系數(shù)和附加損耗，諧波還可能使電流增加，電容器就會發(fā)熱，進(jìn)而影響電容器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（二）諧波會對繼電保護(hù)和自動裝置的可靠性產(chǎn)生影響

繼電保護(hù)裝置和自動裝置在電網(wǎng)中都是以負(fù)序基波量為基礎(chǔ)的，其整定多以負(fù)序基波量為基礎(chǔ)，這樣整定數(shù)值較小，靈敏度高。但是諧波會疊加到負(fù)序基礎(chǔ)上，而諧波源一般都是負(fù)序源，這樣就可能引起電機(jī)負(fù)序電流的保護(hù)裝置誤跳閘，其后果將不堪設(shè)想。其它如變電站主變復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動母線差動保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護(hù)高頻保護(hù)故障錄波器自動準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動都會嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（三）諧波會影響測量和計量儀器的準(zhǔn)確性

目前國內(nèi)的電子計量裝置都是以50赫茲為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計的，而且多是感應(yīng)式的計量裝置，諧波會影響電能表的正常工作，計算的數(shù)值會出現(xiàn)誤差。電能表實際記錄的數(shù)值是基波電能減去諧波電能，因此諧波將導(dǎo)致電網(wǎng)收費出現(xiàn)誤差，還會出現(xiàn)繳費的不公平。例如吸收諧波的用戶就必須繳納諧波產(chǎn)生的電能，而產(chǎn)生諧波的用戶則會少繳費，這對整個電網(wǎng)的收費產(chǎn)生不利影響，尤其是一些較大項目的用電。

（四）諧波會干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上如果流過的是奇次低頻率諧波，在等幅值情況下就會對相鄰的通信線路產(chǎn)生影響，干擾通信線路清晰度。諧波和基波共同作用下還可能觸發(fā)電話鈴聲，在一些極端的情況下也會大范圍破壞通信設(shè)備。而且在高壓直流換相過程中還可能產(chǎn)生電磁噪聲，干擾電力載波通信的正常工作，而且引發(fā)的載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置誤操作，最后影響電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（五）諧波會影響用電設(shè)備的正常工作

諧波會使電視機(jī)計算機(jī)的圖形畸變畫面亮度發(fā)生波動變化并使機(jī)內(nèi)的元件過熱計算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈則會在一定參數(shù)的配合下形成某次諧波諧振損壞鎮(zhèn)流器或電容器對于采用晶閘管的變速裝置諧波可能使晶閘管或控制回路誤動。

三、供電系統(tǒng)諧波的防護(hù)對策

目前諧波已經(jīng)影響到了供電質(zhì)量，而且其損耗太大，因此必須從管理措施和技術(shù)上采取措施，積極治理電網(wǎng)中的諧波。首先，可以提高換流裝置的相數(shù)。由于諧波最主要的來源是換流裝置，在交流變直流時，直流側(cè)會產(chǎn)生整流相數(shù)上下浮動的諧波，而整流相數(shù)將可能由6升到12，進(jìn)而降低諧波電流的有效值。其次，增加動態(tài)無功率補(bǔ)償裝置。要減小諧波，其根本措施還是在諧波產(chǎn)生之初對其進(jìn)行削弱。目前削弱諧波的方法主要有主動和被動兩種。主動方法是在已經(jīng)產(chǎn)生諧波的情況下，利用無源元件進(jìn)行削弱，包括電容器、電抗器等等。而被動方法是指有源濾波，通過產(chǎn)生和諧波相反相位的波形來削弱諧波。最后，嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)對諧波的管理。國家標(biāo)準(zhǔn)GBl7625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流<16A）》，等效采用IEc6100-3-2：1995，它規(guī)定了準(zhǔn)備接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣電子設(shè)備可能產(chǎn)生的諧波的限值只有經(jīng)過試驗證實符合該標(biāo)準(zhǔn)限值要求的設(shè)備才能接入到配電系統(tǒng)中，以限制這些設(shè)備注入供電系統(tǒng)的總體諧波電流水平。

參考文獻(xiàn)：

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