本文分析了有色工礦企業(yè)供配電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因及危害，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出減少諧波危害的工程設(shè)計(jì)思路。

諧波會(huì)導(dǎo)致供配電系統(tǒng)電流和電壓波形畸變，電能質(zhì)量下降，危害系統(tǒng)及用電設(shè)備。因此，工程設(shè)計(jì)人員了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理及危害，研究解決方案，對(duì)改善供電質(zhì)量和確保供配電系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。

諧波產(chǎn)生的機(jī)理與危害

在供配電系統(tǒng)中，諧波是指周期電氣量中頻率大于1整數(shù)倍基波頻率（50Hz）的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，即諧波次數(shù)n，比如對(duì)于50Hz的電網(wǎng)來說250Hz的正弦波即為5次諧波。需要指出的是諧波次數(shù)必須是大于1的正整數(shù)，電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇。

電網(wǎng)上同時(shí)存在著諧波電流和諧波電壓，當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流便畸變?yōu)榉钦也娏?，這些非正弦波中包含了諧波電流，諧波電流注入電網(wǎng)中，流過線路阻抗和系統(tǒng)阻抗時(shí)便產(chǎn)生了諧波電壓。有色工礦企業(yè)中主要的非線性設(shè)備有：變壓器、鐵心電抗器、電力電子裝置、電弧爐及氣體放電燈等，其中，電力電子裝置是主要的諧波源。

變壓器、鐵芯電抗器的諧波電流是由其勵(lì)磁回路的非線性引起的。加在變壓器、鐵芯電抗器上的電壓u與鐵芯磁通Φ是的關(guān)系是：N為繞制匝數(shù)。當(dāng)u為正弦波時(shí)，Φ與u相差π/2 ，按正弦律變化。而勵(lì)磁電流和磁通的關(guān)系是由鐵芯的磁化曲線決定，由于鐵心磁化曲線是非線性，因此勵(lì)磁電流含諧波。

在有色工礦企業(yè)中常用電力電子裝置以兩象限交直交變頻器為例，整流環(huán)節(jié)為帶濾波電容的二極管三相橋式整流電路，其交流側(cè)電流中除基波外，含有n=6k±1（k為正整數(shù)）的高次諧波，各次諧波有效值In=11/n，I1為基波電流有效值。

電弧爐的諧波主要由起弧時(shí)延和電弧的嚴(yán)重非線性引起。電弧長度的不穩(wěn)定和隨機(jī)性，使其電流諧波頻譜十分復(fù)雜。氣體放電燈是嚴(yán)重非線性的負(fù)載，其產(chǎn)生的三次諧波電流含量最高。

諧波對(duì)供配電系統(tǒng)及用電設(shè)備的危害主要表現(xiàn)在：

加大損耗。高頻率諧波會(huì)使系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加損耗，降低系統(tǒng)及用電設(shè)備的效率。

影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲，使變壓器鐵損增加、局部嚴(yán)重過熱、壽命縮短，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短。

引起電網(wǎng)局部諧振。這種諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，危害用電設(shè)備，常使電容器和電抗器燒毀。

使繼電保護(hù)等誤動(dòng)，電氣測量誤差過大。諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失，還會(huì)使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差。

使工控系統(tǒng)崩潰。臨近的諧波源或較高次諧波會(huì)對(duì)通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，計(jì)算機(jī)無法正常工作，重則導(dǎo)致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。

減少諧波危害的工程設(shè)計(jì)思路

為了減少諧波危害，工程設(shè)計(jì)可以從以下幾個(gè)方面著手：

1.選用帶有△接法繞組的變壓器

變壓器一側(cè)繞組為△接法時(shí)，3n次諧波將在該繞組中形成環(huán)流，不會(huì)傳到另一側(cè)繞組，從而有效地抑制了3n次諧波的傳遞。在工程設(shè)計(jì)中，10kV及以下等級(jí)的配電變壓器，均應(yīng)采用D、ynll接線組別，這樣，二次側(cè)3n次諧波不會(huì)傳導(dǎo)到一次側(cè)，且D、ynll接線組別的零序阻抗較小，有利于單相接地短路故障的切除。

2.合理設(shè)置無源交流濾波器

傳統(tǒng)的LC無源濾波器是較常見的抑制諧波的措施。主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，而且除了濾波外，還兼顧了無功補(bǔ)償?shù)男枰?。?duì)諧波而言，LC濾波支路相當(dāng)于低阻抗通道，使相應(yīng)的諧波電流大部分流入該支路，以達(dá)到吸收諧波電流、減少系統(tǒng)側(cè)諧波電流注入值、降低系統(tǒng)電壓畸變率的目的。該濾波器還可以向負(fù)載提供容性無功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

這種方法有其局限性：一是會(huì)產(chǎn)生較大的超前無功，當(dāng)系統(tǒng)的自然功率因數(shù)較低時(shí)可以兼做無功功率補(bǔ)償，但當(dāng)系統(tǒng)的自然功率因數(shù)較高時(shí)其應(yīng)用就受到局限；二是這種濾波器的原理決定了其濾波效果受系統(tǒng)阻抗的影響較大，一方面系統(tǒng)阻抗發(fā)生變化時(shí)其濾波效果也會(huì)不同，另一方面當(dāng)系統(tǒng)阻抗很小時(shí)其濾波效果會(huì)較差。

3.在電網(wǎng)中并聯(lián)裝設(shè)有源濾波器

有源濾波器簡稱是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的電力電子裝置。它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波及無功進(jìn)行補(bǔ)償，克服了傳統(tǒng)LC濾波器的缺點(diǎn)。它以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)載的諧波及無功分量，采用PWM變換技術(shù)，向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，從而抑制諧波、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功。

有源濾波器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）實(shí)時(shí)跟蹤動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

采用基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測諧波電流，通過瞬時(shí)電流跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)諧波電流動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，自動(dòng)跟蹤負(fù)載諧波變化，具有高度可控性和快速響應(yīng)性。

（2）優(yōu)異的補(bǔ)償特性

補(bǔ)償性能不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。也可以用來抑制供電系統(tǒng)中因諧波引起的系統(tǒng)諧振。

（3）靈活的補(bǔ)償方式

一機(jī)多能，不僅能治理諧波，而且能補(bǔ)償無功，提高功率因數(shù)。既可對(duì)單個(gè)諧波源獨(dú)立補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波源集中補(bǔ)償。治理諧波時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定次諧波進(jìn)行處理。

（4）先進(jìn)的功率變換技術(shù)

采用IGBT高頻開關(guān)器件，主電路為橋式全控PWM變流器，具有體積小、效率高、可靠性高的特點(diǎn)，先進(jìn)的多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整機(jī)容量的擴(kuò)展。

4.增加整流器脈動(dòng)數(shù)

整流裝置在交流側(cè)所產(chǎn)生的諧波為pk±1次諧波，p為脈動(dòng)次數(shù)，如三相全橋整流為6脈動(dòng)整流裝置，諧波次數(shù)為n=6k±1（k為正整），而12脈動(dòng)整流裝置的諧波次數(shù)n=12k±1。因此增加整流器的相數(shù)，可以有效地消除低次諧波。

某工程的設(shè)計(jì)中，副井提升機(jī)及井下牽引變電所整流裝置設(shè)計(jì)為錯(cuò)相整流等多重化技術(shù)實(shí)現(xiàn)12脈動(dòng)或24脈動(dòng)整流，這從源頭上大大減少了諧波的產(chǎn)生，改善了電源質(zhì)量，避免了大量諧波治理措施的投資，取得了很好的供電效果。

5.變頻器進(jìn)線側(cè)加裝電抗器

在變頻器交流側(cè)加交流電抗器是顯著減少諧波的實(shí)用方法。目前，某些知名的國內(nèi)外變頻器生產(chǎn)廠家已在成套內(nèi)裝有電抗器，但這種方法也有副作用，如使變頻器入口處的電壓損失增加，還有裝置的重量和造價(jià)也會(huì)隨著增加。因此，在工程設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

結(jié)語

在有色工礦企業(yè)中，諧波導(dǎo)致的各種電氣設(shè)備性能下降、無法工作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為保證各種不同類型設(shè)備和計(jì)算機(jī)及精密電子裝置正常、可靠、高效地運(yùn)行，必須從工程設(shè)計(jì)階段就要采取相應(yīng)措施，確保用電設(shè)備的使用壽命，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而減少由于諧波帶來的各種損失。