浅析电网谐波的危害及抑制措施

２０１１年第３５期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ电力与能源０　科技信息　浅析电网谐波的危害及抑制措施　贾满乾　（宁夏电力公司固原供电局　宁夏　固原７５６０００）　【摘要】电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件，使电压和电流波形发生畸变产生谐波　谐波　会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常，还会引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏。本文重点阐　述了谐波的产生、危害及抑制谐波的方法。　【关键词】电网；谐波；危害；抑制措施　０引言　随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电量成倍　Ｕ＝Ａｓｉｎｔｏ１ｔ，Ｉ＝（Ａ／Ｒ）ｓｉｎｗ　增长．对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高，电能质量Ｐｏｗｅｒ　式中：Ａ　——常量。　Ｑ　ａｌｉｔｖ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机　所以．Ｕ、Ｉ具有相同的正弦波形。　场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因　如果纯正弦电压供给非线性的纯阻性负载，电阻将随时间变化，　受电力网上瞬态电磁干扰影响．致使计算机系统无法正常运行．将会　则　带来很大的经济损失　电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印　，＿（Ａ　）ｓｉｎＶ￣＝ｇ（ｔ）ｓｉｎｗｔ　机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些　由于函数ｇ（　）对ｓｉｎｗｔ进行了调制，使得电流发生了畸变，虬图ｌ　装置不能正常运行．必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、　所示。　复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负　载大都是非线性负载．都是谐波源，如将这些谐波电流注入电网，必然　污染电网．使电网电源的波形畸变．增加谐波成份．造成电气设备的异　常运行　正常情况下．供电电压为纯正弦量，如果供电给线性的纯电阻性　负载Ｒ．则有　１　电网谐波的产生　电网在正常情况下。电压ｕ随时间ｔ作周期性变化，呈正弦规律，　函数关系为弦规律．函数关系为　ｕ（ｚ）＝、／　Ｕｓｉｎ（ｗｔ＋￣）　ｗ＝２ｖｒｆ　式中：　一电压的有效值：　ｎ，＿一角频率：　电网电压频率：　一——（ａ）线性负载波形　（ｂ）非线性负载波形　图１　线性负载的正弦波与非线性负载的畸变波　Ｕ、∞、　称谓该电压正弦波的三要素，ｓｉｎｗｔ称为基波。这种正弦形　的基波周期函数在进行加减微分积分等运算时．其结果仍保持正弦周　期函数的特点　由于供电系统中有许多非线性元件或负荷．即使供电电压是正弦　波．其电流的波形也会偏离正弦波形发生畸形。非正弦波的电流在供　电系统中传递．由于沿途电压降．使各供电点的电压波形受其影响而　产生不同程度的畸变。我们把畸变的波形经傅里叶级数变换。得到一　系列不同的正弦波形的叠加　１．３主要非线性负载装置　１．３．１开关电源的高次谐波：开关电源由５部分组成：一次整流，开关　振荡回路、二次整流、负载和控制　这几个部分产生的噪声不完伞一　样　这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰．也可以通过电源产　生传导干扰。　１．３．２变电器空载合闸涌流产生谐波：铁心中磁通变化时，会产生８—　１５倍额定电流的涌流．由于线圈电阻的存在．变压器空载合闸涌流　般经过几个周波即可达到稳定．所产生的励磁涌流所含的谐波成份　以３次谐波为主。　ｈ　１．３＿３单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：电力电子调速系统普　ｕ（　）＝　、／２　ｓｉｎ（ｔｏｌｔ＋ｏｔｈ）　遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备．调速装置内电力电子器　件对过电压特别敏感．因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电　（　）＝　ｘ／２　ｌ￣ｓｉｎ（／ｕｏｌ￡碱）　压保护误跳闸　由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着　其中，ｓｉｎｔｏ．ｔ项称为基波，其周期与原波形的周期相同，其他各项　调速系统误跳闸事故会经常发生　１．３．４电压互感器铁磁谐振过电压：在我国１０ｋＶ、３５ｋＶ等级的中性点　均称为谐波　由于谐波的频率是基波频率的整数倍．所有ｓｉｎ３ｗ．ｔ项称　不接地配电网中．为了监视对地绝缘．一般采用　相五柱式电压互感　为３次谐波．ｓｉｎ５ｔｏ。ｔ项称为５次谐波等。　一初相角　ｎ　器　在正常情况下．三相对地电压是平衡的．但是由于发生单相接地故　障等原因．会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器　由于发电机制造工艺的问题．致使电枢表面的磁感应强度分布稍　线圈电感Ｌ和系统对地电容ｃ在参数上配合，而产生谐振过电压。　稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即　１－３．５整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流　所产生的电流稍偏离正弦电流　当几个这样的电源并网时．总电源的　电转成直流电．而逆变器是将直流电转变成交流电。其电路中的二极　电流稍偏离正弦电流。当几个这个的电源并网时，总电源的电流也将　１．１电源本身　偏离正弦波　１．２非线性负载　谐波产生的别一个原因是由于非线性负载．当电流流经线性负载　时．负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，负　载Ｅ电流为非正弦电波．即产生了谐波。　管视为理想二极管．即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允　许电流单方向流动．从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不　是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了　工频正弦波（５０Ｈ　墓波）外，还叠加了一系列高次波形一谐波。应该说　电动机采用变频器进行调速，除可以高水平完成调速外，也可以节省　大量电能（近３０％），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，　＿　科技信息　０电力与能源ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第３５期　即形成高次谐波污染　１．３．６电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多　地使用电弧炉．这是一个重要负荷。运行时．电极和金属碎粒之间会发　生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路．一旦熔化金属从电极上落　下．电弧熄灭．电源又开路，因此．可以说冶炼过程是频繁的短路一开　路一短路的过程．因此．可以说冶炼过程是频繁的短路一开路一短路　的过程．会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁．一般电压波动频率在　０．１Ｈｚ一１００Ｈｚ范围内．这种谐波以３次谐波为主　２谐波的危害　２．１谐波对电网的影响　２．１．１造成电网的功率损耗增加．设备寿命缩短．接地保护功能失常、　络中．零序电流和零序性的谐波电流（３次、６次、９次……）不仅会引起　中性线电流大大增加，造成过负荷发热，使损耗增加，而且产生压降．　引起零电位漂移．降低了供电的电能质量　２．５．３谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大．泄漏电流上　升．温升增大及干式电缆的局部放电增加．引发单相接地故障的可能　性增加。　２．６增加旋转电机的损耗　国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下．电网中负序电压　不超过额定电压的２％．　如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电　压大于这个数值．则附加功耗明显增加　２．７影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作　例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生３－１０ｋＨｚ高频噪声．　遥控功能失常、线路和设备过热等。特别是３次谐波会产生非常大的　中性电流．使得配电变压器的零线电流甚至超过电流值．造成设备的　不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可　能引起电网生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。　２．１．２引起变电站局部的并联或串联谐振．造成电压互感器等设备损　坏．造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗．引起电力　变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料　的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长．影响断路器的开容量；造成　电子元器件的继电保护或自动装置误动作：影响电子仪表和通信系统　正常工作．降低通信质量，增大附加磁场的干扰等。　２．２谐波支变压器的影响　谐波电流．特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压　器．会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系　统．侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性发热　２．２．１谐波电流使变压器的铜耗增加．引起过热、振动、噪声增大等。　２．２．２谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加．当　系统运行电压偏高或者三相不对称时励磁电流中的谐波分量增加．对　三角形接线的绕组，零序性谐波在绕组内形成环流，使绕组温度升高。　２．２＿３变压器励磁电流中含谐波电流引起合闸涌流中谐波电流过大，　其谐波电流在发生谐振时对变压器的安全运行造成严重威胁。　２．３谐波对继电保护及自动装置的影响　如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小．此时。若　谐波干扰叠加到极低的整定值上．则可能会引起负序保护装置的误动　作．影响电力系统安全　２．３．１谐波对继电保护及自动装置运行环境的影响　（１）在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的　局部电网中会受到影响　（２）在容易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架附近　会受到影响　ｆ３）在频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌　流产生谐波的干扰　２．３．２继电保护及自动装置利用的启动量小　利用负序电流或电压、零序电流或电压或差动电流或电压启动会　受到谐波的影响　２．３－３继电器或启动元件本身对谐波敏感　（１）管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少，　因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。　（２）利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继　电器或微机保护．都会受到谐波的影响和干扰。　２．４谐波对电力电容器的危害　当配电系统非线性用电负荷比重较大．并联电容器组投入时．一　方面由于电容器组的谐波阻抗小．注入电容器组的谐波电流大，使电　容器过负荷而严重影响其使用寿命．另一方面当电容器组的谐波容抗　与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放　大使电容器过热而导致损坏．因此．电压谐波和电流谐波超标．都会使　电容器的工作电流增大和出现异常。　２．５谐波对线路的影响　２．５．１谐波污染增加了输电的损耗。输电线路中谐波电流加上集肤效　应的影响，将产生附加损耗，使得输电线路损耗增加。特别是在电力系　统三相不对称运行时．对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为　显著。　２．５．２谐波污染增大了中性线电流，引起中性点漂移　在低压配电网　会干扰电力载波通信的正常工作　２＿８谐波对电力系统其他运行设备的影响　２．８．１对同步发电机的影响　用户的负序电流和谐波电流注入系统内　的同步发电机，将产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强　度。同时，由于输出的电压波形中产生附加的谐波分量。使负荷的同步　发电机转子发生扭振．降低其工作寿命　２．８．２对断路器的影响　谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工　作．断路器的遮断能力降低．不能遮断波形畸变率超过一定限值的故　障电流．对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃　现象．导致断路器触头烧损　２．８．３对消弧线圈的影响　当电网谐波成分较大时．发生单相接地故　障．消弧线圈对谐波电流将可能不起作用．在接地点得不到的补偿．从　而引发系统的故障扩大　２．８．４对载波通信的影响　高次谐波含量对电力载波通信的干扰主要　表现在语音通信过程中产生噪音　数据传输失真．降低ＥＭＳ　ＤＡＳ实时　数据的真实可靠性．造成集中抄表系统中数据出错等故障　３高次谐波抑制技术　抑制高次谐波的滤波装置一般由电力电容器、空心器（因其ＸＬ　值恒定）和电阻器的适当组合而成，运行时，就近吸收谐波源所产生的　谐波电流，降低供电点的谐波电压。实际运行的滤波装置一般由一组　或数组单调谐波组成，或者再加一组高通滤波器。典型滤波器的接线　形式见图２。　图２滤波器接线　３．１单调谐滤波器　图２中（ａ）为ｈ次单调谐滤波器。其阻抗为　＝　［＾　Ｌ－（　。ｃ）］　式中，甜．为额定工频率，ｈ为谐波次数。　显然，在理想调谐条件下，　，由于　很小，ｈ次谐波将顺利　地通过尺　分流，而很少注入电网，同时使相应的谐波电压大为降低。　３．２　ｃ型滤波器　．　图２中（ｂ）为ｃ型滤波器．它是一种补偿型低功耗滤波器，优点是　由于电容０与Ｌ满足对工频的串联谐振条件，故电阻中基波损耗很　小。　１　、　ｔＯｌ　＝（　１　）　从而使基波电流Ｉ　几乎全部流经　Ｌ支路，达到降低能耗的目　的。　Ｃ型滤波器的阻频特性曲线Ｊ　，Ｒ　Ｉ专　＾）。（见图３）　２０１１年第３５期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ电力与能源。　科技信息　３．３．２变压器空载合闸涌流抑止方法　根据方程　ｆ＝一　ｃ０ｓ（（ＥＪ￡＋ｄ）＝　，　ｓｉｎ，如果合闸时　＝９０。（即　＝　／　便合闸）．则：　．＝一　ｃｏｓ（ｔ．ｏｔ＋ｏｒ）　ｓｉｎｍｔ没有暂态分量，合闸后磁通也即进入稳　定状态．理论上可以避免冲击涌流过程　３．３－３抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法　如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电　容器产生的瞬态过电压．从而使接在母线上的电力电子调速系统可以　稳定地工作．接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响　３．３．４抑制电压互感器铁磁谐振方法　其方法是要使它脱离谐振区．采用中性点不接地的电　感器或　采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。　图３　Ｃ型滤波器阻频特性曲线　３．３．５抑止电弧炉运行时的干扰　（１）在合适地段加入电容补偿装置．补偿无功波动；　从ｃ型滤波器的阻频特性可见．当谐波从某ｈ频次开始．滤波回　（２）可以重新安排供电系统。　路对它们的阻抗很小．从而滤去了大量高频次谐波．因此称其为高通　滤波器　３．３其余抑制高次谐波的技术　随着非线性电力设备的广泛应用．电力系统中谐波问题越来越严　３．３．１开关电源干扰的抑制技术　般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能　重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了　计算机等电子设备正常工作．直接扰乱了人们的正常生活。冈此电力　量。　特别一次设备）应满足电磁发射水平；电子设备、电子仪器　采用电源滤波器．电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电　电子设备（源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。　屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰　作者简介：贾满乾（１９７５一），男，大学，学士，工程师，现从事电网规划、前期　减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺．确保绕组之间　一４结束语　应满足电磁兼容性要求。Ｏ　　紧密耦合．以减少变压器漏感　还可以在高频整流二极管上串入可饱　等工作。和磁芯线圈．利用流过反向电流时．因磁芯不饱和而产生的较大电势　阻止反向电流上升　［责任编辑：王洪泽］　｛上接第３９７页）褶曲交汇处等，都是突出点密集地区，也是大型甚至　的国家．但是我相信．只要我们能够很好的掌握煤与瓦斯突出事故的　特大型突出易发地带　另外，在采掘形成的应力集中地区．其突出的危　特点、发生机理和一般规律．在处理煤与瓦斯突出事故时能够很好的　险性剧增，不仅突出次数多，而且突出强度也大。　遵循相关的原则．我们必定能在煤与瓦斯突Ｈ｛问题上取得蕈大的突　（６）突出与煤层倾角有一定关系　破．减少突出的事故次数和死亡人数．降低突出的危害和对社会的影　煤层倾角增大．岩层及煤层的自重应力参与突出的作用就增大．　从而使突出的危险性增加．表现为始突深度变强和突出强度增大　前　苏联顿巴斯矿区急倾斜煤层的平均突出强度８４ｔ．几乎是缓倾斜煤层　作者简介：牛玉国（１９７５一），男，２０（｝７年７月毕业于中国矿业大学采矿工程　专业，现于淮南矿业集团新庄孜煤矿通风防突科工作，主要从事矿井瓦斯治理、　的平均突出强度４５１的２倍　响。ｏ　通风及煤与瓦斯突出等技术管理工作　６结束语　虽然我国目前是世界上突出次数最多．突出死亡事故也最为严重　［责任编辑：周天凤］　（上接第４２０页）核力度　。建立健全各项考核机制．以制度来约束引导　【参考文献】　ＪＪ．新疆师范大学学报：哲学礼会　环境监测科技人员，积极向上、争先创优、不断完善自己、实现人格的　［１］我国科学道德和学风建设存在ｔ大不端行为｝升华　３．４建立环保垂直管理制度．减少行政干预带来的影响　：３８－－４０．　我国现行的政绩考核制度导致了环境保护在经济发展面前处于　（１１）［３］薛海军．试论会计环境对会计职业道德的影响【Ｊ】．现代经济信息，２０１　１（１０）：１　１３　弱势地位　。积极探索环保垂直管理制度将在一定程度上增加环保部　科学版．２００４（２）：２Ｏ．　［２］侯峰，柳赵郑．加强科技人员职业道德与学风建设的思考【Ｊ＿科学之友，２００９　门监督执法的独立性．从而有利于环境监测机构独立开展监测工作　我省徐州市早在２００３年就在这方面开展了有益的探索　应进一步加　大试点力度．积累经验．为全面推广做准备。　总之．职业道德和学风建设是社会主义精神文明建设的重要组成　部分．也是建设有中国特色社会主义不可缺少的精神支柱　环境监测　是环保工作的重要支撑．是党和政府联系群众的途径之一．与人民群　众密切相关．也是环保部门提高经济与环境协调发展水平，树立窗口　形象的基础　因此．必须不断提高环境监测人员道德水平和作风行为，　［４］－－ｒ￣成良．职业道德建设是构建和谐社会的关键点［Ｊ１．社科纵横，２００７，２２（５）：８—９　［５］王晓英．浅淡建设和谐社会医务人员职业道德教育ｍ包头医学，２００８，３２（１）：６２—　６３．　［６］刘洋，万玉秋’缪旭波，等．关于我国环境保护垂直管理问题的探讨　环境科学　与技术．２０１０，３３（１１）：２０１—２０４　作者简介：石涛（１９７６－Ｉ），男，江苏扬中人，工程师，学士，毕业于南京大学　环境工程系．主要从事环境监测工作。　真正讨立环保行业新形象。∞　［责任编辑：周天凤］