摘要:隨著工業、農業和人民生活水平的不斷提高,電能需求成倍增長,對供電質量及供電可靠性的要求也越來越高。電力系統中的諧波問題也日趨嚴重。電網諧波使得電壓、電流的波形發生了畸變,使電力系統的發、供、用電設備出現許多異常現象和故障,產生了嚴重的危害和影響。對其進行有效的控制,已成為電力系統安全運行工作的重要內容之一。
　　
　　關鍵詞:電力系統；諧波產生；危害；控制措施
　　
　　1電網諧波的產生來源
　　1.1電源本身產生的諧波
　　發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致,以及其他一些原因,致使電樞表面的磁感應強度分布稍稍偏離正弦波,從而產生的感應電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢,即所產生的電流稍偏離正弦電流。當然,這樣的電源并網時,總電源的電流也將偏離正弦波,即產生諧波,并注入電網。
　　1.2輸配電系統產生的諧波
　　輸配電系統中主要是電力變壓器勵磁電流產生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,僅含有奇次諧波,以3、5、7次諧波為主。
　　它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波電流也就越大。當輸配電系統中存在為數眾多的變壓器群時,其空載電流諧波就可以匯合成相當大的諧波電流并注入電網中。
　　1.3用電設備產生的諧波
　　1.3.1晶閘管整流設備
　　由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網吸收的是缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。
　　如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。
　　如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流,其中5次諧波電流為基波電流的18.5%,7次諧波電流為基波電流的12%;如果是12脈沖整流器,含有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明:由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。
　　1.3.2變頻裝置
　　變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復雜,除含有整數次諧波外,還含有分數次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調速的發展,對電網造成的諧波也越來越多。
　　1.3.3電弧爐
　　根據電弧爐的冶煉要求,在開始的熔化期,其特征是在電極和固態原料之間形成極不穩定的電弧,電弧電流不規則的波動,且三相電流大而不平衡,產生諧波電流,主要是2、3、4、5、7次諧波。此外,三相電流的劇烈波動會造成母線電壓的波動和閃變。
　　2諧波對電力系統的危害
　　2.1增加輸電線路功耗
　　如果電網中含有高次諧波電流,那么,高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。如果輸電線路是電纜,與架空線路相比,電纜線路對地電容要大10～20倍,而感抗僅為其1/3～1/2,所以很容易形成諧波諧振,造成絕緣擊穿。
　　2.2影響電網的質量
　　電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變,并使三相交流電的對稱性受到影響。如民用配電系統中的中性線,由于熒光燈、調光燈、計算機等負載,會產生大量的奇次諧波,其中3次諧波的含量較多,使公用電網中性線注入更多電流,造成超載、發熱,影響電力正常輸送。
　　2.3對電力電容器的危害
　　電容電流IC=VWC,當電網存在高次諧波時,通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器,雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負荷,使電容器異常發熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。
　　尤其是帶有串抗的并聯電容器組投入在電壓已經畸變的電網中時,還可能使電網某些次的諧波加劇,即產生諧波擴大現象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形,電容器與線路電流在某些次諧波形成串聯諧振,使尖頂波放大,易在介質中誘發局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強度大,對絕緣介質起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。
　　一般來說,電壓每升高10%,電容器的壽命就要縮短1/2左右。因此,在諧波嚴重的情況下,還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。
　　2.4對電力變壓器的危害
　　諧波使電力變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。
　　同時由于以上兩方面的損耗增加,因此要減少變壓器的實際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網中的諧波含量。除此之外,諧波還會導致電力變壓器噪聲增大。
　　2.5對繼電保護的危害
　　如果繼電保護裝置是按基波負序量整定其整定值大小,此時,若諧波干擾疊加到極低的整定值上,則可能會引起負序保護裝置的誤動作,影響電力系統安全。
　　2.6對電動機的危害
　　諧波對異步電動機的影響,主要是增加電動機的附加損耗,降低效率,嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場,形成與電動機旋轉方向相反的轉矩,起制動作用,從而減少電動機的出力。
　　2.7對低壓開關設備的危害
　　對于配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱,同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。由此可知,上述三種配電用斷路器都有可能因諧波產生誤動作。
　　3抑制諧波的技術措施
　　3.1采用交流無源濾波裝置
　　將交流無源濾波裝置裝設在諧波源處(如圖1所示),用來吸收諧波源產生的諧波電流,這是防止諧波源向系統注入諧波電流的有效而通用的措施。
　　交流無源濾波裝置是通過LC諧振吸收電網中的諧波電流,對固定頻率的諧波能夠有效抑制,但對于系統結構、參數發生變化,或無源濾波器本身參數變化的,反而還有可能產生諧波放大,并且對電壓波動、負序等不能綜合治理。
　　                                                 
　　                                                                        圖1交流無源濾波器
　　3.2采用靜止無功補償裝置
　　對于快速變化的諧波源(例如電弧爐、大型軋機等)除了產生諧波外,還使供電系統的母線電壓波動,并帶來閃變,有的還造成系統電壓三相不平衡,嚴重地影響公用電網的電能質量。這種情況應采用靜止無功補償裝置,如圖2所示。主要功用如下:
　　                  
　　                                                                         圖2靜止無功補償裝置
　　3.2.1這種裝置是由電容器與電抗器并聯組成,電容器可輸出無功功率,電抗器可吸收無功功率,兩者結合起來,配合適當的調節裝置,就可平滑地改變輸出的無功功率,起到補償無功,提高功率因數的作用。
　　3.2.2通過合理設置無功補償裝置中電感L和電容C,使它在某次頻率上產生諧振,從而濾出該頻率的諧波,即抑制了該次諧波引起的電壓波動和閃變。
　　3.3采用有源濾波器(APF)
　　將有源濾波裝置裝設在諧波負荷處,如圖3所示。圖中諧波負荷除了從系統吸取基波電流外,還向系統注入高次諧波電流,即I=(I)1+(I)h。如果電源電壓為正弦三相平衡系統,則有源濾波器補償電流應與負荷高次諧波電流波形相同而方向相反,即If=-(I)h。也就是說,利用有源濾波器中的開關型逆變器跟蹤輸出等量反向的補償電流,則由負荷產生的諧波電流就會被有源濾波器抵消,而不會注入系統造成電網公害。如果做到補償電流等于基波無功分量與諧分量的和,則系統電源僅需提供基波有功分量。
　　與交流無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應性,可自動跟蹤補償各次諧波,可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點。在性價比上較為合理,且濾波特性不受系統阻抗的影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐中,而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。
　　                                   
　　圖3有源濾波器
　　3.4合理選擇變壓器額定運行磁密
　　電力變壓器在系統中量大、分布廣,變壓器的勵磁電流中的諧波不可忽視。制造廠家為了減小體積、降低成本,其額定運行磁密一般取得較高,在額定電壓下已接近飽和。當系統運行電壓提高5%左右,勵磁電流會增加40%以上,造成諧波電流急劇上升。
　　因此降低變壓器的額定運行磁密是降低系統電壓諧波水平的措施之一。降低變壓器額定運行磁密會增加制造成本,但從變壓器運行角度看,可以減少空載損耗和由諧波引起的附加損耗,降低運行費用。因此可以將兩者進行技術經濟比較,以得出一個合理的變壓器額定運行磁密。
　　3.5提高諧波源負荷的供電電壓
　　當本級電網容納不下諧波源負荷的諧波電流,造成電網諧波超出標準允許值時,可考慮改由高一級電網供電,把諧波源負荷接入容量較大的電網,可以容納較大的諧波電流。
　　例如,一些用戶的整流裝置經數千米饋線(10kV)供電,且供電母線的短路容量較小,所以由整流裝置產生的諧波干擾很大,常使用戶附近的用電設備無法正常工作,此時采用高一級電壓(35kV)的電網給諧波源負荷供電,就能避免這些問題。
　　3.6避免并聯電容器組對諧波的放大
　　并聯電容器在一定條件下會產生諧波放大,所以應根據設備情況將并聯電容器組的串聯電抗器進行適當調整。例如,當僅需要限制合閘涌流時,宜選用電抗率為0.1%～1%的電抗器;為抑制5次及以上諧波電壓放大時,宜選用電抗率為4.5%～6%的電抗器;為抑制3次及以上諧波電壓放大時,宜選用電抗率為12%～13%的電抗器。