1、电力系统谐波的危害及其抑制措施The Harm of Harmonics and Measures of Suppression in Electric System摘要: 本文叙述了电力系统中谐波的产生原因，并详细阐述了谐波的危害及允许标准，最后介绍了电力系统谐波的研究现状以及常见的抑制措施。关键字:电力系统 谐波产生及危害 谐波抑制Abstract：The article describes the causes of harmonics in electric system , and explains the harm and endurable standard in detail,
2、 finally introduces the development of electric system harmonics and measures to suppress harmonicsKey words : Electric system Harm of harmonics Harmonics suppression1. 引言随着人们生活水平的提高以及现代工业的发展，在人们对电能需求量日益增加的同时，对供电质量的要求也越来越高。但是，大量的电力电子设备在给人们生活提供便利的同时，也导致非线性负载越来越多，大量的谐波电流注人电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及
3、用户用电设备带来严重危害。2. 电力系统中谐波的产生原因目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系统中，电源以单一恒定频率（50Hz 或 60Hz）的正弦变化规律向电网供电，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。一般来说，一个实际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技术的发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增加，理想电力系统的近似程度变差，直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点，在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量（称为基波分量） ，而且出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量（
4、称为高次谐波分量） ，这一系列正弦分量统称为电力谐波。在 IEEE 标准 519-1981中谐波定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍” 。在国际电工标准（IEC555-2）与国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于 1 的 h次分量” 。通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。在早期的电网中，电力传输线路中谐波含量并不高，可以忽略不计，但是随着科技的进步，现代电网中谐波的含量比例越来越高。电网谐波主要来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生
5、的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的
6、0.5%。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是2谐波和7次谐波。 除此以外 ,其它像电视机、电池充电器等装置也会产生谐波。虽然单个装置的功耗不大 ,但由于数量很多 ,因此它
7、们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。3.电力系统谐波的危害谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网时一种污染。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近几十年来，各种电力电子设备的迅速普及和广泛应用是使谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种事故不断发生。由此，谐波的危害的严重性才引起人们的高度重视。大体上说，谐波危害主要表现在以下几个方面：（1）电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电
8、压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用
9、寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距
10、离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000 时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1 ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置
11、信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使潜供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的 值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。（9）对录像和音响设备干扰照明艺术是舞台表演艺术中的重要组成部分，其中调光设备必不可少，随着晶闸管相控调光容量增大，谐波干扰也日益严重，其干扰主要有以下三种：a.传导干扰。谐波电流使供电电源的正弦波形畸变，供电质量下降，因而连在同一电源的其他用电设备会受到干扰。b.辐射干扰。通过空间传播的电磁干扰
12、，影响其他用电设备。c.噪声干扰。脉冲电流通过灯泡的灯丝，由于电动力的作用，会使灯丝产生叫声，从而使舞台演播厅的噪声增大。（10）对其它设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响：导致功率开关器件控制装置误动作；导致功率开关器件故障而损坏；使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏；对计算机产生干扰；影响互感器的测量精度；使熔断器在没有超过整定值时就熔断；影响功率处理器的正常运行；影响电视机的画面质量；影响电子显微镜的清晰度；影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。4.谐波干扰的允许水平和标准电力电子装置在运行过程中必然会产生各次谐波。根据现有的技术水平，要求他们不产生任何谐波是不现
13、实的。但是，如果谐波限制在一定范围内，使谐波干扰的影响很小，在工程上是可以接受的。为此，我国制定了谐波容许水平，并作为标准实施。在介绍标准之前首先介绍衡量谐波的两个参数。(l) 总正弦波形畸变率THD (Total Harmonic Distortion)， 简称总畸变率。其定义为：总电压畸变率总电流畸变率而k次谐波的电压畸变率HD（Harmonic Distortion）或称谐波含有率HR（Harmonic Ratio）为HDu（HRUk）=Uk/U1*100%(2)相对谐波含量RH(Relative Harmonic content)，其定义为：他们之间的关系是5. 我国电力系统谐波研究现
14、状电力系统谐波是由于波形畸变产生的，从交流电出现、应用发展到现在，如何将波形畸变限制在一定的范围内一直是电力工程师关心的问题。我国对电力系统谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1991年出版了电力系统高次谐波，张一中等1992年出版了电力谐波，夏道止等1994年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波，林海雪等1998年出版了电力网中的谐波，这些著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献。此外，唐统一等和容健纲等分别于1991年和1994年独立翻译了Arrilaga J.等的电力系统谐波，也在国内有较大的影响。1
15、998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于80年代，在整个90年代有了长足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。6.电力系统谐波抑制措施6.1电力系统谐波的抑制方法谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波
16、；三是被动治理，即外加滤波器，吸收谐波源产生的注入电网的谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。受端治理的措施（1）选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。（2）避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。（3）提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。（4）改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采
17、用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。主动治理谐波的措施主动法是在设计电力电子装置时，通过改进技术手段等方法来优化其性能，达到减少谐波干扰的目的。整流装置是供电系统的主要谐波源之一，对于整流装置可采用增加整流装置的相数，即多脉整流又称多重化技术，是抑制谐波干扰的有效手段。但是24脉及24脉以上的多脉整流器，变压器链连接复杂，容量也不能充分利用，成本高。 因此小功率电力电子装置，多用6 脉整流， 中等容量的电力电子装置，约在1500KVA以下，宜用12脉整流，大容量电力电子器件则根据实际情况选用24脉及以上的整流。被动治理谐波的措施被动法是电
18、力电子装置已经产生了大量谐波，如何使谐波少流入电网即采用滤波器对谐波进行补偿，用可关断电力电子器件和PWM技术减少谐波干扰。6.2 常见的电力系统谐波抑制措施(1) 无源功率滤波器无源功率滤波器(Passive Power Filters简称PF)，通常是利用LC电路进行滤波，主要是用电容器为高次谐波提供低阻抗的分流电路。这一技术比较成熟，它的优点有：a.电压可以做的较高，容量可以做的较大；b.在吸收高次谐波的同时，可以补偿无功功率，改善功率因数；c. 结构简单，维修方便，成本较低；d .运行可靠, 技术比较成熟, 操作人员较成熟。工程上可以把无源功率滤波器和无功补偿装置结合起来，同时改善功率
19、因数。以取得较好的经济效果。无源功率滤波器的缺点有：a.流过滤波器的电流除了谐波电流外，还有基波电流，因此滤波器的容量要相应增加，特别是低次谐波滤波器；b. 如果因扩容等原因所产生的谐波超过滤波器设计时的参数，可能造成滤波器因为过载而损坏；c. 电网频率偏移，电容器件老化，或温度特性变化等因素，导致滤波器谐振频率与待抑制谐波频率偏移，影响抑制效果；d. 当有多个低次谐波时，需要用多个滤波器，因此体积较大。(2) 有源功率滤波器有源功率滤波器(Active Power Filter简称APF)，其原理是用一个逆变器产生一个与电网谐波电流反相的补偿电流，注人电网，以抵消电力电子装置产生的谐波电流干
20、扰。有源功率滤波器的优点有：a.用一台装置可以处理单个高次谐波或者多个高次谐波；b.如果高次谐波的发生量增加，由于本装置能控制使其不超过额定电流，所以不会发生过载和损坏。有源功率滤波器的缺点有：a. 损耗较大，当功率增加时，有源功率滤波器装置损耗百分比可望下降；b .受电力电子器件功率容量的限制，目前有源功率滤波器的容量还不能做得很大，并且价格较高。(3) 有源和无源功率滤波器结合的混合功率滤波器混合功率滤波器就是将有源滤波器和无源滤波器串联，再并联于电网，以补偿谐波的一种滤波器。无源功率滤波器承担主要的补偿容量，有源功率滤波器用来改善无源功率滤波器的特性。7.结束语综上所述，随着越来越多的非
21、线性大功率电子装置的应用，电力系统中谐波问题越来越严重。 因此，研究抑制消除电力系统中的谐波，确保电力系统能安全稳定运行是十分必要的。同时，人们对环境保护意识的提高，要求净化电网，形成一个“绿色”电网。有源电力滤波器具有良好的谐波抑制效果，系统控制灵活，具有很大发展潜力。然而， 现在虽然有源功率滤波器效果较好，但是因为电子器件功率容量的限制，其价格高。谐波抑制是一个长期的综合性的治理过程，只有各个方面都严格按照规定标准执行，才能既减少电能损耗，又能保证电气设备安全稳定运行。参考文献1罗安 电网谐波治理和无功补偿技术及装备 中国电力出版社 20062吴竞昌 孙树勤 宋文南等 电力系统谐波 北京：
22、水利电力出版社 19883钱照明 叶忠明 董伯藩等 谐波抑制技术 电力系统自动化 1997 .(10)4中国国家标准GB/T14549-93 电能质量 公用电网谐波 北京：中国标准出版社 1994 5牛荣健 张晓琴 电力系统中的谐波问题 重庆科技学院学报 2006. 7 (3): 87一896王兆安 杨君 刘进军 谐波抑制和无功功率补偿 北京：机械工业出版社 1998 7 Gyugyi L, Strycula E C. Active AC Power Filters. In: Proceedings of IEEE/IAS Annual Meeting, 19768 M. Takeda, K. Ikeda, and Y. Tominaga, Harmonic Current Compensation with an Active Filter, in Conf. Rec. of IEEE-IAS, 19879汤钰鹏 徐建军 高次谐波产生的原因、危害及其抑制措施 电气传动自动化 2000. 2（ 1）
