韋杰宏 廣西梧州市電業(yè)局,廣西 梧州 543002
[摘 要]簡要論述了諧波是如何產(chǎn)生的，為什么諧波的出現(xiàn)會影響電力設(shè)備，以及總結(jié)和提出了抑制諧波的措施。
[關(guān)鍵詞] 電力諧波 危害 抑制措施
1 諧波是怎樣產(chǎn)生的
電力系統(tǒng)的諧波是電力系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生畸變的表征。諧波的產(chǎn)生來自于電力電子設(shè)備、非線性阻抗設(shè)備和其它方面的干擾。
其中電子設(shè)備諧波源的基本元件大部分采用非線性元件，工作波形為非正弦波，有的產(chǎn)品是切削正弦波執(zhí)行工作的，如可控硅整流電源等；有的產(chǎn)品是將直流源變換成方波工作，如變頻器、開關(guān)電源等。這些產(chǎn)品與電力系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系時(shí)，都能使電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生大量的畸變。而非線性阻抗設(shè)備常利用感抗渦流工作或利用容性電離做功，如電焊機(jī)、電抗器、感應(yīng)爐、電弧爐等，這些產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)可使電流產(chǎn)生大幅度地浪涌、尖脈沖，造成電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生畸變，形成電源污染。
2 電力諧波造成的危害
對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：
2.1 增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。
由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。
2.1.1增加輸電線路的功耗
諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對輸電線路會造成絕緣擊穿。由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。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。
2.1.2對變壓器的危害
諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，影響工作人員的身心健康。由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實(shí)際使用容量。除此之外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，有時(shí)還發(fā)出金屬聲。
2.1.3對電力電容器的危害
含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。
2.2 影響繼電保護(hù)和自動裝置的工作可靠性
特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護(hù)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(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2.3 對用電設(shè)備的危害
①電力諧波會使電視機(jī)、計(jì)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)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。
此外，電力諧波還會對測量和計(jì)量儀器的指示不準(zhǔn)確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。
②感應(yīng)電動機(jī)。
和變壓器中的道理一樣，諧波畸變會加大電動機(jī)中的損耗。然而，由于勵(lì)磁磁場的諧波會產(chǎn)生附加的損耗，每個(gè)諧波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋轉(zhuǎn)的方向(在感應(yīng)電動機(jī)中相對于基波磁場的正向而言的)。
諧波次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
相 序�。� 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0
零序諧波(3次及3的倍數(shù)，即“3N”次諧波)產(chǎn)生不變的磁場，但是因?yàn)橹C波頻率較高，故磁性損耗大大增高而將諧波能量以熱的方式放出。負(fù)序的諧波產(chǎn)生反方向旋轉(zhuǎn)的磁場(相對于基波而言)，而使電機(jī)的力矩下降，并和零序諧波一樣，產(chǎn)生更多的損耗。正序諧波產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場來加大力矩，它和負(fù)序分量一起，可造成電機(jī)的振動而降低電機(jī)壽命。
2.4影響電網(wǎng)的質(zhì)量
電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。
3 電力諧波的抑制措施
為了減少供電系統(tǒng)的諧波問題，從管理和技術(shù)上可采取以下措施：
3.1 嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理
我國1998年12月14日發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-1998《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)》，要求購置的用電設(shè)備，經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)，符合該標(biāo)準(zhǔn)限值才允許接入到配電系統(tǒng)中。此外,1993年頒發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定了注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。
3.2加強(qiáng)諧波污染源的監(jiān)測
主管部門對所轄電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準(zhǔn)備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設(shè)置長期觀察點(diǎn)，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設(shè)備是否產(chǎn)生了超標(biāo)的諧波污染。
3.3 在諧波源處加裝濾波裝置吸收諧波電流
這類方法是對已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種：
①無源濾波器。簡單的LC濾波器是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成。難以濾除頻率較低、幅度較大的畸變波。LC濾波器一般采用與諧振源并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，三相連接可接成Y型或D型。但三次諧波濾波器有一點(diǎn)特殊，因?yàn)槿沃C波主要為零序諧波，大部分流經(jīng)N線，因此有些三次諧波濾波器采用在N線上串接的方式。如ABB公司的THF，其工作原理與并聯(lián)型LC濾波器的相反，是在150Hz的諧振頻率產(chǎn)生高阻抗，而對非150Hz的其它頻率電流阻抗很小，其結(jié)果是大部分三次諧波電流被阻斷。
無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍５珶o源濾波器存在著許多缺點(diǎn),如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有放大的可能；耗費(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。
②有源濾波器。早在70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。
3.4加裝靜止無功補(bǔ)償裝置,提升功率因數(shù)cosф
快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù). 。
3.5防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大
在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。可采取串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。
3.6增加換流裝置的相數(shù)
換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù))。當(dāng)脈動數(shù)由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效的消除幅值較大的低頻項(xiàng)，(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。
4 結(jié)束語
（1）在治理系統(tǒng)諧波時(shí)，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)中各種因素的影響，兼顧各個(gè)指標(biāo)，選擇合理有效的濾波方案；
（2）采用LC濾波器，應(yīng)以濾波器組的綜合濾波效果為原則，嚴(yán)格避免諧波放大現(xiàn)象的發(fā)生；
（3）濾波電容器電容量的選擇既要滿足濾波的要求，也要考慮無功補(bǔ)償?shù)男枰�，還應(yīng)使電容器能承受過電流和過電壓的影響；
（4）有源濾波器是一種新型動態(tài)濾波器，其諧波抑制能力大大優(yōu)于LC濾波器。隨著對電網(wǎng)諧波問題的日益重視和其成本的逐步降低，將具有廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
�。�1］吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].中國電力出版社,1998.5
�。�2］張浩.戴瑞珍.諧波抑制的工程設(shè)計(jì)方法探討.電網(wǎng)技術(shù),2002.6.
�。�3］郎維川.供電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其防護(hù)對策.《高電壓技術(shù)》, 2002.6
