浅谈电网谐波

     1 引言

　　在电力电子技术快速发展的今天，用电负荷日益增加种类各异，尤其是采用变频器驱动的电动机系统因具有流程控制方便，节能效果明显，维护简单，网络化等优点，而被越来越多的应用。无论是哪种变频器，在变频过程中都会使它的输入、输出端产生高次谐波，输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响，输出端的谐波对电动机等负载产生很大负面影响，由此电网在稳态运行下产生越来越多谐波。谐波都来自何处、都有何影响、怎样检测、怎样抑制等成为我们今天关注的问题。

　　2 谐波源

　　谐波产生来自各种谐波源，所谓“谐波源”通常是指各种特定的用电设备，即非线性用电设备或非线性电力负荷。其中电网中电力电子设备占主要成份，大量的变压器群、铁芯电抗器、电弧炉、变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、重要负载所用的不间断电源(ups) 、节能荧光灯系统、家用电器和电子设备都是谐波源，这些非线性负载将导致电网污染，电力品质下降，引起供用电设备故障, 严重时甚至引发火灾事故等。

　　3 谐波危害

　　当电力电子装备容量达到所接电网短路容量的0.3至0.5倍以上时，或电网参数引起较低谐波次数的谐波谐振时，可能在某一范围内易引起“谐波不稳定”。5、7次谐波含量占总谐波量比重较大，其中5次谐波含量占谐波总含量的45％，有甚高达80％。谐波危害主要表现在以下几方面：

　　(1)高次谐波电流在电机变压器上的集肤效应严重时容易引起局部高温造成绝缘损坏，谐波含量较低时增加变压器铜损比例。

　　(2)由于谐波电流和基波磁场的相互作用产生不良的机械振动，加速轴和轴承疲劳缩短寿命，也会增大变压器噪声。

　　(3)对于承受较大谐波的电动机谐波轴电压容易击穿轴承润滑油膜，造成放电损坏轴承。

　　(4)电网中的大量3次谐波造成电力电容器很快“鼓肚”和“放炮”而退出运行，3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。

　　(5)在一定条件下，电力电子设备工作时产生的瞬间尖刺电压是影响电力电缆局部放电和寿命的重要原因，造成电缆绝缘故障击穿而损坏。

　　(6)谐波还可能导致保护和自动装置的误动。

　　(7)谐波信号具备频率高、能量大能够存在电容耦合、电磁感应、电气传导等特点，对通信产生不可避免的干扰。

　　(8)谐波超标易损坏电子原器件或缩短电子原器件寿命。

　　(9)谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起其它严重事故。

　　4 国家标准

　　gb／t14549-93《电能质量－公用电网谐波》如表1。

　　表2为注入公共连接点的谐波电流允许值。

表1 电能质量－公用电网谐波标准

表2 注入公共连接点的谐波电流允许值

　　5 谐波测量

　　上述谐波的危害，使它成为*价电能质量的一个重要指标，有必要时在电网日常运行中加以检测和监测。由于电网谐波问题的复杂性，采用一定的理论计算，很难准确反映电网的实际情况，通常采用实测电网谐波的干扰，保证电网安全运行和高质量供电。

　　目前，从仪器性能和测试目的可分为：谐波检测仪报警仪、谐波频谱分析仪、电能质量综合分析仪。发达国家在研制和使用谐波分析仪方面较先进，仪器功能齐全、测量范围广，使用方便可靠，价格较高。而国产仪器性能方面尚较差，数据采集方面也不太理想，但价格较低。如：国产dxj系列谐波检测仪、美国fluke电能质量分析仪、日产数字型电能分析仪、国产gxf系列谐波频谱分析仪等。

　　6 谐波治理

　　抑制谐波危害主要是对谐波源本身和在传播路径上采取措施。基本思路：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，二是对电力电子装置本身进行改造，使其少产生谐波，且功率因数可控制为1，三是在市电网络中采用适当的措施来抑制谐波，具体方法有以下几种：

　　6.1 抑制谐波所采用的措施

　　(1)选用电力电子设备时，尽量选脉动数较大为宜或利用有一定移相角的换流变压器。12相脉冲整流

　　thdv大约为10%-15%，18相脉冲整流的thdv约为3%-8%，缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高；

　　(2)不能对设备本体改进时，可采用在谐波源附近处安装有源电力滤波器来吸收谐波电流的方法比较先进，但补偿容量较小，造价较高；

　　(3)具有谐波互补性的装置应集中，否则分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式；

　　(4)在用户进线处加串联电抗器，以增大和电气系统的电气距离，减小谐波的相互影响；

　　(5)从电源电压、线路阻抗、负载特性等方面找出不平衡原因，改善电源三相不平衡度；

　　(6)加装无功功率补偿装置，抑制电压波动、闪变、三相不平衡；

　　(7)增大供电电源容量，减小谐波含量；

　　(8)改进设备或装置性能提高用电设备的抗干扰能力；

　　(9)信号线与动力线分开配线，尽量使用双绞线降低共模干扰；

　　(10)在使用通讯电子控制系统中，在编制软件的时候适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

　　安装滤无源电力波器方式简单，体积小、无功补偿效果良好，适合于稳态谐波场所。并联安装有源滤波器自动检测非线性负荷产生的谐波电流及滤波器与系统连接点的电压畸变，输出与负荷产生的谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流，起到补偿谐波的作用。动态性能好，响应时间短(15μs)，三相补偿谐波电流低的功率损耗（小于设备额定功率的3%），适合于暂态谐波或谐波成份复杂，变化较快，随机性较强的场所。

　　6.2 运用实例

　　目前工厂广泛采用变频调速，大多是6脉冲触发变频器，5次谐波含量较高。我厂有一台980kw／690v三相异步电动机由西门子6脉冲变频器传动调速。在变频器输入端并联安装诺基亚一台无源电力滤波器，设计主要吸收变频器产生的5次谐波。投用前5次谐波畸变率28.8%，投用后变成1.7%，补偿率超过90%。基本消除系统的5次谐波干扰，延长元器件的使用寿命。无源滤波器结构中的电容器提高线路末端功率因数达到100%，节约电能统计结果显示投入后比投入前月节电8000余度，赢得良好的经济效益。

　　7 结束语

　　谐波给公用电网带来了一定程度的破坏，成为电网污染源之一，当前使用的各种方法都有一定的弊端，所以，分析和研究怎样抑制谐波还将成为一个非常重要的课题。