1、电 力系 统谐 波的危害与治理来源 :智能建筑与城市信息 作者：宋夕阳 张 忠 2009-07-02 09:29:07【摘 要 】本文 阐 述了 谐 波 电 流的 产 生 对 在供配 电 系 统 所造成的影响危害； 谐 波 电 流 产生的主要因素； 谐 波 电 流的抑制方法。【关 键词 】谐 波 危害 电 网 谐 波抑制 1 谐 波概述“谐 波 ”一 词 起源于声学。人 们对谐 波的关注与研究已有很 长 的 历 史了，在 18世 纪和 19世 纪 已有了 对谐 波比 较 成熟的的数学分析。 电 力系 统 的 谐 波 问题 在 20世 纪 就引起了人 们 的注意，尤其 70年代以来，由于 电 力
2、 电 子技 术 的 飞 速 发 展，各种 电 力 电 子装置在 电 力系 统 、工 业 、交通及家庭中的 应 用日益广泛， 谐 波所造成的危害也日 趋严 重。世界各国都 对谐 波 问题 予以充分和关注。国 际 上召开了多次有关 谐 波 问题 的学 术 会 议 ，不少国家和国 际 学 术组织 都制定了限制 电 力系 统谐 波和用 电设备谐 波的 标 准和 规 定。在 电 力系 统 中 谐 波 产 生的根本原因是由于非 线 性 负载 所致。当 电 流流 经负载时 ，与所加的 电压 不呈 线 性关系，就形成非正弦 电 流，即 电 路中有 谐 波 产 生。 谐 波 频 率是基波 频 率的整倍数，根据法
3、国数学家傅立叶分析原理 证 明，任何重复的波形都可以分解为 含有基波 频 率和一系列 为 基波倍数的 谐 波的正弦波分量。 谐 波是正弦波，每个 谐 波都具有不同的 频 率，幅度与相角。 谐 波可以区分 为 偶次与奇次性，第 3、5、7 次 编 号的为 奇次 谐 波，而 2、4、6、8 等 为 偶次 谐 波，如基波 为 50Hz时 ，2 次 谐 波 为 l00Hz，3 次谐 波 则 是 150Hz。一般地 讲 ，奇次 谐 波引起的危害比偶次 谐 波更多更大。在平衡的三相系 统 中，由于 对 称关系，偶次 谐 波已 经 被消除了，只有奇次 谐 波存在。 对 于三相整流 负载 ，出 现 的 谐 波
4、 电 流是 6n1次 谐 波，例如 5、7、11、13、17、19等， 变频 器主要 产 生5、7 次 谐 波。谐 波 给电 力系 统带 来的危害十分 严 重。 谐 波使 电 能的生 产 、传输 和利用的效率降低，使 电 气 设备过热 、产 生振 动 和噪声，并使 绝缘 老化，使用寿命 缩 短，甚至 发 生故障或 烧毁 。谐 波可引起 电 力系 统 局部并 联谐 振或串 联谐 振，使 谐 波含量放大，造成 电 容器等 设备烧毁 。谐 波 还 会引起 继电 保 护 和自 动 装置 误动 作，使 电 能 计 量出 现 混乱。 对 于 电力系 统 外部， 谐 波 对 通信 设备 和 电 子 设备 会
5、 产 生 严 重干 扰 。因此， 对谐 波的研究以及如何抑制、治理 谐 波成 为 了一个具有重要意 义 的社会 课题 。2 谐 波的 产 生电 网 谐 波来自于三个方面：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 生的 谐 波，其中用 电设备产 生的 谐 波最多。2.1 电 网与 电 源 设备发电 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。 输 配 电 系 统 中主要是 电 力 变压 器 产 生 谐 波，由于 变压
6、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 0.5%。2.2 在用 电设备 中，下面一些 设备 都能 产 生 谐 波（1）晶 闸 管整流 设备 ：由于晶 闸 管整流在 电 力机 车 、铝电 解槽、充 电 装置、开关 电 源等 许 多方面得到了越来越
7、广泛的 应 用， 给电 网造成了大量的 谐 波。我 们 知道，晶 闸 管整流装置采用移相控制，从 电 网吸收的是缺角的正弦波，从而 给电 网留下的也是另一部分缺角的正弦波， 显 然在留下部分中含有大量的 谐 波。如果整流装置 为单 相整流 电 路，在接感性 负载时则 含有奇次 谐 波 电 流，其中 3 次 谐 波的含量可达基波的 30%；接容性负载时则 含有奇次 谐 波 电压 ，其 谐 波含量随 电 容 值 的增大而增大。如果整流装置 为 三相全控 桥 6 脉冲整流器， 变压 器原 边 及供 电线 路含有 5 次及以上奇次 谐 波 电 流；如果是 12脉冲整流器，也 还 有 11次及以上奇次
8、谐 波 电 流。 经统计 表明：由整流装置 产 生的谐 波占所有 谐 波的近 40%，这 是最大的 谐 波源。（2）变频 装置： 变频 装置常用于 风 机、水 泵 、电 梯等 设备 中，由于采用了相位控制，谐 波成份很复 杂 ，除含有整数次 谐 波外， 还 含有分数次 谐 波， 这类 装置的功率一般 较 大，随着 变频调 速的使用的增多， 对电 网造成的 谐 波也越来越多。（3）电 弧炉、 电 石炉：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 器的三角形 连 接线 圈而注入 电
9、 网。其中主要是 2 7 次的 谐 波，平均可达基波的 8% 20%，最大可达45%。（4）气体放 电类电 光源： 荧 光灯、高 压 汞灯、高 压钠 灯与金属 卤 化物灯等属于气体放 电类电 光源。分析与 测 量 这类电 光源的伏安特性，可知其非 线 性十分 严 重，有的 还 含有 负 的伏安特性，它 们 会 给电 网造成奇次 谐 波 电 流。（5）家用 电 器： 电视 机、 录 像机、 计 算机、 调 光灯具、 调 温炊具等，因具有 调压 整流装置，会 产 生 较 深的奇次 谐 波。在洗衣机、 电风 扇、空 调 器等有 绕组 的 设备 中，因不平衡 电 流的 变 化也能使波形改 变 。这 些
10、家用 电 器 虽 然功率 较 小，但数量巨大，也是 谐 波的主要来源之一。3 谐 波的危害3.1 对 供配 电线 路的危害（1）影响 线 路的 稳 定运行：供配 电 系 统 中的 电 力 线 路与 电 力 变压 器一般采用 电 磁式继电 器、感 应 式 继电 器或晶体管 继电 器予以 检测 保 护 ，保 证线 路与 设备 的安全。但由于电 磁式 继电 器与感 应 式 继电 器 对 10%以下含量高达 40%时 又 导 致 继电 保 护误动 作，因而在 谐 波影响下不能全面有效地起到保 护 作用。晶体管 继电 器 虽 然具有 许 多 优 点，但由于采用了整流取 样电 路，容易受 谐 波影响， 产
11、 生 误动 或拒 动 。这样 ，谐 波将 严 重威胁 供配 电 系 统 的 稳 定与安全运行。（2）影响 电 网的 质 量： 电 力系 统 中的 谐 波能使 电 网的 电压 与 电 流波形 发 生畸 变 。如民用配 电 系 统 中的中性 线 ，由于 荧 光灯、 调 光灯、 计 算机等 负载 ，会 产 生大量的奇次 谐波，其中 3 次 谐 波的含量 较 多，可达 40%；三相配 电线 路中，相 线 上的 3 的整数倍 谐 波在中性 线 上会叠加，使中性 线 的 电 流 值 可能超 过 相 线 上的 电 流。另外，相同 频 率的 谐 波电压 与 谐 波 电 流要 产 生同次 谐 波的有功功率与无功
12、功率，从而降低 电 网 电压 ，浪 费电网的容量。 3.2 对电 力 设备 的危害（1）对电 力 电 容器的危害：当 电 网存在 谐 波 时 ，投入 电 容器后其端 电压 增大，通 过电 容器的 电 流增加得更大，使 电 容器 损 耗功率增加。 对 于膜 纸 复合介 质电 容器， 虽 然允许 有 谐 波 时 的 损 耗功率 为 无 谐 波 时损 耗功率的 1.38倍； 对 于全膜 电 容器允 许 有 谐 波 时的 损 耗功率 为 无 谐 波 时 的 1.43倍，但如果 谐 波含量 较 高 ,超出 电 容器允 许 条件 ,就会使电 容器 过电 流和 过负 荷 ,损 耗功率超 过 上述 值 ，使
13、电 容器异常 发热 ，在 电场 和温度的作用下 绝缘 介 质 会加速老化。尤其是 电 容器投入在 电压 已 经 畸 变 的 电 网中 时 ，还 可能使电 网的 谐 波加 剧 ，即 产 生 谐 波 扩 大 现 象。另外， 谐 波的存在往往使 电压 呈 现 尖 顶 波形，尖 顶电压 波易在介 质 中 诱发 局部放 电 ，且由于 电压变 化率大，局部放 电强 度大， 对绝缘介 质 更能起到加速老化的作用，从而 缩 短 电 容器的使用寿命。一般来 说 ，电压 每升高10%，电 容器的寿命就要 缩 短 1/2左右。再者，在 谐 波 严 重的情况下， 还 会使 电 容器鼓肚、 击 穿或爆炸。（2）对电 力
14、 变压 器的危害： 谐 波使 变压 器的 铜 耗增大，其中包括 电 阻 损 耗、 导 体中的 涡 流 损 耗与 导 体外部因漏磁通引起的 杂 散 损 耗都要增加。 谐 波 还 使 变压 器的 铁 耗增大， 这 主要表 现 在 铁 心中的磁滞 损 耗增加， 谐 波使 电压 的波形 变 得越差， 则 磁滞 损 耗越大。同 时 由于以上两方面的 损 耗增加，因此要减少 变压 器的 实际 使用容量，或者 说 在 选择变压 器 额 定容量 时 需要考 虑 留出 电 网中的 谐 波含量。除此之外， 谐 波 还导 致 变压 器噪声增大， 变压 器的振 动 噪声主要是由于 铁 心的磁致伸 缩 引起的，随着 谐
15、 波次数的增加，振 动频 率在 1KHZ左右的成分使混 杂 噪声增加，有 时还发 出金属声。（3）对电 力 电缆 的危害： 由于 谐 波次数高 频 率上升，再加之 电缆导 体截面 积 越大趋 肤效 应 越明 显 ，从而 导 致 导 体的交流 电 阻增大，使得 电缆 的允 许 通 过电 流减小。另外，电缆 的 电 阻、系 统 母 线侧 及 线 路感抗与系 统 串 联 ，提高功率因数用的 电 容器及 线 路的容抗与系 统 并 联 ，在一定数 值 的 电 感与 电 容下可能 发 生 谐 振。3.3 对 用 电设备 的危害谐 波 对 异步 电动 机的影响，主要是增加 电动 机的附加 损 耗，降低效率，
16、 严 重 时 使 电动 机 过热 。尤其是 负 序 谐 波在 电动 机中 产 生 负 序旋 转 磁 场 ，形成与 电动 机旋 转 方向相反的 转 矩，起制 动 作用，从而减少 电动 机的出力。另外 电动 机中的 谐 波 电 流，当 频 率接近某零件的固有 频 率 时还 会使 电动 机 产 生机械振 动 ，发 出很大的噪声。3.4 对 低 压 开关 设备 的危害对 于配 电 用断路器来 说 ，全 电 磁型的断路器易受 谐 波 电 流的影响使 铁 耗增大而 发热 ，同 时 由于 对电 磁 铁 的影响与 涡 流影响使脱扣困 难 ，且 谐 波次数越高影响越大； 热 磁型的断路器，由于 导 体的集肤次
17、应 与 铁 耗增加而引起 发热 ，使得 额 定 电 流降低与脱扣电 流降低； 电 子型的断路器， 谐 波也要使其 额 定 电 流降低，尤其是 检测 峰 值 的 电 子断路器， 额 定 电 流降低得更多。由此可知，上述三种配 电 断路器都可能因 谐 波 产 生。 对 于漏电 断路器来 说 ，由于 谐 波 汇 漏 电 流的作用，可能使断路器异常 发热 ，出 现误动 作或不 动作。 对 于 电 磁接角器来 说 ，谐 波 电 流使磁体部件温升增大，影响接点， 线 圈温度升高使额 定 电 流降低。 对 于 热继电 器来 说 ，因受 谐 波 电 流的影响也要使 额 定 电 流降低。在工作中它 们 都有可能
18、造成 误动 作。3.5 对 弱 电 系 统设备 的干 扰对 于 计 算机网 络 、通信、有 线电视 、报 警与楼宇自 动 化等弱 电设备 ，电 力系 统 中的谐 波通 过电 磁感 应 、静 电 感 应 与 传导 方式耦合到 这 些系 统 中， 产 生干 扰 。其中 电 感 应 与静 电 感 应 的耦合 强 度与干 扰频 率成正比， 传导则 通 过 公共接地耦合，有大量不平衡 电流流入接地极，从而干 扰 弱 电 系 统 。3.6 对电 力 测 量 设备 的影响目前采用的 电 力 测 量 仪 表中有磁 电 型和感 应 型，它 们 受 谐 波的影响 较 大。特 别 是电 能表（多采用感 应 型），当
19、 谐 波 较 大 时 将 产 生 计 量混乱， 测 量不准确。3.7 对 人体的危害从人体生理学来 说 ，人体 细 胞在受到刺激 兴奋时 ，会在 细 胞膜静息 电 位基 础 上 发生快速 电 波 动 或可逆翻 转 ，其 频 率如果与 谐 波 频 率相接近， 电 网 谐 波的 电 磁 辐 射就会直接影响人的 脑 磁 场 与心磁 场 。4 电 力系 统谐 波的抑制对电 力 谐 波的抑制就是如何减少或消除注入系 统 的 谐 波 电 流，以便把 谐 波 电压 控制在限定 值 之内，抑制 谐 波 电 流主要有三方面的措施：（1）降低 谐 波源的 谐 波含量：也就是在 谐 波源上采取措施，最大限度地避免
20、谐 波的产 生。 这 种方法比 较积 极，能 够 提高 电 网 质 量，可大大 节 省因消除 谐 波影响而支出的 费用。具体方法有： 增加整流器的脉 动 数：整流器是 电 网中的主要 谐 波源，其特征 频谱为 ：n Kp1，则 可知脉冲数 p增加， n也相 应 增大，而 InI1 n，故 谐 波 电 流将减少。因此，增加整流脉 动 数，可平滑波形，减少 谐 波。 电 力 电 子装置常将 6 脉波的 变 流器 设计成 12脉波或 24脉波 变 流器，以减少交流 侧 的 谐 波 电 流含量。理 论 上，脉波越多， 对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流 变压 器的 结 构越复 杂 ，体 积 越大
21、， 变 流器的控制和保 护变 得困 难 ，成本增加。 脉 宽调 制法：脉 宽调 制技 术 的基本思想是控制 PWM输 出波形的各个 转换时 刻，保 证 四分之一波形的 对 称性。根据 输 出波形的傅立叶 级 数展开式，使需要消除的 谐 波幅 值为 零、基波幅 值为给 定量，达到消除指定 谐 波和控制基波幅 值 的目的，目前采用的 PWM技 术 有最 优 脉 宽调 制、改 进 正弦脉 宽调 制、 调 制、跟踪型 PWM调 制和自适 应 PWM控制等。 三相整流 变压 器采用 Y 或 Y的接 线 ：三相整流 变压 器采用 Y 或 Y的接 线 形式， 这样 可以消除 3 的整数倍次的 电 力 谐 波
22、，从而使注入 电 网的 谐 波电 流只有 5、7、11等次 谐 波。（2）在 谐 波源 处 吸收 谐 波 电 流： 这类 方法是 对 已有的 谐 波 进 行有效抑制的方法， 这是目前 电 力系 统 使用最广泛的抑制 谐 波方法。目前常用的方式采用有无源 滤 波装置和有源 滤 波装置等。下面就 谈谈这 几种方法的 优 缺点以及市 场 前景及其 经济 效益的分析。 无源 谐 波 滤 除装置：无源 滤 波器也称 为 LC滤 波器，可分 为单调谐滤 波器、双调谐滤 波器和高通 滤 波器， 实际应 用中常采用几 组单调谐滤 波器和几 组 高通 滤 波器 组成一个 滤 波装置， 单调谐滤 波器也叫 单调谐
23、滤 波回路，其主要由控制器、 电 容器、 电 抗器和投切开关以及其控制回路和保 护 回路 组 成。无 论 高 压 和低 压 ，都是一 样 的。高 压滤波器和低 压滤 波器的区 别 ，主要是使用的元器件的耐 压 不同，其所承受的 电 流也不同，要求的安全距离也就不同了，其 设计 和制造的 难 易程度也就有极大的区 别 了。 滤 除 谐波的多少 视 每一个工程的 实际 情况而不同，一般 为 系 统 原含有 谐 波量的 20%50%不等。也可 视 工程的具体情况，多 设 几 组滤 波器， 滤 波效果达到原有 谐 波含量的 70%以上，但 这 要在保 护 回路上多下功夫，其保 护 回路也就相 对 复
24、杂 一点了。无源 滤 波的主要 结 构是用 电 抗器与 电 容器串 联 起来， 组 成 LC 串 联 回路，并 联 于系 统 中， LC回路的 谐 振 频 率 设 定在需要 滤 除的 谐 波 频 率上，例如 5 次、 7 次、 11次 谐振点上，达到 滤 除 这 3 次 谐 波的目的。 现 在，市 场 上流通 较 多采取的 滤 波方法就是 这一种， 滤 波效果 虽 差，但成本 较 低，用 户 容易接受。但使用中如果 谐 振 频 率 设 定得不好，会与系 统产 生 谐 振。 有源 谐 波 滤 除装置：有源 谐 波 滤 除装置是在无源 滤 波的基 础 上 发 展起来的，它的 滤 波效果好，在其 额
25、 定的无功功率范 围 内， 滤 波效果是百分之百的。它主要是由 电 力电 子元件 组 成 电 路，使之 产 生一个和系 统 的 谐 波同 频 率、同幅度，但相位相反的 谐 波 电流与系 统 中的 谐 波 电 流抵消。但由于受到 电 力 电 子元件耐 压 ，额 定 电 流的 发 展限制，成本极高，其制作也 较 之无源 滤 波装置复 杂 得多，成本也就高得多了。其主要的 应 用范 围是 计 算机控制系 统 的供 电 系 统 ，尤其是写字楼的供 电 系 统 ，工厂的 计 算机控制供 电 系统 。 防止并 联电 容器 组对谐 波的放大：在 电 网中并 联电 容器 组 起改善功率因数和 调节电压 的作用
26、。当 谐 波存在 时 ，在一定的参数下 电 容器 组 会 对谐 波起放大作用，危及 电容器本身和附近 电 气 设备 的安全。可采取串 联电 抗器，或将 电 容器 组 的某些支路改 为滤 波器， 还 可以采取限定 电 容器 组 的投入容量，避免 电 容器 对谐 波的放大。 为 了解决无源 滤 波器和有源 滤 波器各自存在的缺点 ,构成比 较 理想的 谐 波 补偿 系 统 ,将有源 滤 波器和无源 滤 波器混合使用。 加装静止无功 补偿 装置：快速 变 化的 谐 波源有 电 弧炉、 电 力机 车 和卷 扬 机等，除了 产 生 谐 波外，往往 还 会引起供 电电压 的波 动 和 闪变 ，有的 还 会
27、造成系 统电压 三相不平衡， 严 重影响公用 电 网的 电 能 质 量。在 谐 波源 处 ，并 联 装 设 静止无功 补偿 装置，可有效减小波 动 的 谐 波量，同 时 ，可以抑制 电压 波 动 、电压闪变 、三相不平衡， 还 可 补偿 功率因数。（3）改善供 电环 境： 选择 合理的供 电电压 并尽可能保持三相 电压 平衡，可以有效地减小 谐 波 对电 网的影响。 谐 波源由 较 大容量的供 电 点或高一 级电压 的 电 网供 电 ，承受谐 波的能力将会增大。 对谐 波源 负 荷由 专门 的 线 路供 电 ，减少 谐 波 对 其它 负 荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次 谐 波。总 之，
28、谐 波 问题 的解决方法可分 为预 防性的和 补 救性两种， 滤 波的最后 结 果是要使系 统 的 谐 波含量 满 足国家 标 准的要求或用 户对谐 波的要求。除了上述介 绍 的几种方法，抑制 谐 波的技 术 措施 还 有很多，但大都依据以下几个原 则 ：抑制 谐 波 电 流的 产 生与注入；改善装置的功率因数与无功功率 补偿 ；滤 波装置安装位置的合理 选择 ；电 磁干 扰 的消除和 电 磁兼容性；多种 补偿 功能一体化。5 结 束 语谐 波 污 染已引起社会的高度重 视 。随着 对谐 波 产 生的机理、 谐 波 现 象的 进 一步 认识 ，将会找到更加有效的方法抑制和消除 谐 波，同 时
29、也有助于制定更加合理的 谐 波管理 标 准。加大 对谐 波研究的投入将会大大加快 对谐 波 问题 的解决，当然 谐 波 问题 的最终 解决将取决于相关技 术 的 发 展，特 别 是 电 力 电 子技 术 的 发 展。随着国民 经济 、谐 波抑制技 术 的 进 一步 发 展、法制的 进 一步完善和 对 高效利用能源要求的增 强 ，谐 波治理 问题 最 终 将会得到妥善的解决。在国内， 电 能 质 量治理工作已 经 深入开展， 对综 合 动态 的 谐 波治理措施及 电 网的无功功率 补偿问题 已提上日程。但是要消除 谐 波 污 染，除在 电 力系 统 中大力 发 展高效的 滤 波措施外，在 设计
30、、制造和使用非 线 性 负载时 ，应预 先采取有力的抑制 谐 波的措施，减小 谐 波侵入 电 网，从而真正减少由于 谐 波 污 染 带 来的种种危害。参考文献1 电 力系 统谐 波分析、 测 量、 评 估 计 算与抑制及 滤 波新技 术 .电 力科技机械出版社2 电 力系 统谐 波 .水利 电 力出版社3 现 代建筑 电 气技 术 .中国建筑工 业 出版社辽 宁省建筑 设计 研究院 宋夕阳沈阳市英特 纳 房 产 开 发 有限公司 张 忠变频 器 谐 波治理与无功功率 补偿 2008-07-31 来源：王津 轲 变频 器作 为 非 线 性 电 气 设备 ,具有 电 流不随 电压 同步 变 化的非
31、 线 性的 电压 电 流特性 ,使得流 过电 网的 电 流是非正弦波。 这 种 电 流波形含有各次 谐 波 ,使 电 网 电压严 重失真 ,造成供 电 品 质 低下。同 时 ,电 网 还 必 须 向此 类负 荷 产 生的 谐 波提供 额 外 电 能。谐 波成分的多少反映了 电压 和 电 流 实际 波形偏离理想波形的畸 变 程度。 电 力 谐 波是反映 动 力系 统电 能 质 量好坏的一个重要指 标 。1问题 的提出及故障判断变频风 机运行 ,经 常出 现 莫名其妙的停机故障。 额 定 负 荷范 围 内 变压 器或 电缆 出现 异常温升 ,并且出 现电 容器、 电 抗器 烧毁现 象。在 检查处
32、理中 发现 上述出 问题 的 设备在事前性能和状 态 都正常 ,这 种反复出 现 的同 类问题 ,最可能的起因是 电 力 谐 波影响经过 初步判断后 ,对变压 吸附制 氢 站 1 # 低 压侧 No. 1 点 进 行了 谐 波数据 测 量 ,9 :00/ 10 :00 点数据 统计 ,见 表 1 及接 线见图 1。1 # 变 10 kV/ 400 V、2 000kVA、接 线组别 DYN11。1 # 变压 器出口 处测试 点 No. 1 ,电 容器断开。根据上述 实测 数据 ,电压 、电 流畸 变率均超 过 IEEE519 - 1992 标 准 2 :单 次 谐 波 电压 畸 变 率允 许值为
33、 基波 电压 的 3 %。2 措施分析为 减少 谐 波 对 系 统 的影响 ,一是被 动 防御 ,即在已 产 生 谐 波的情况下 ,采用 传统 无源 滤 波方法 (由一 组 无源元件 :电 容、 电 抗、 电 阻器 组 成 调谐滤 波装置 )减 轻谐 波 对电 器设备 的危害 ,同 时进 行功率因数 补偿 。另一种方法是 :主 动 的 预 防 谐 波 电 流的 产 生即有源 滤 波方法。其原理是利用可关断 电 力 电 子器件 产 生与 负 荷 电 流中的 谐 波分量大小相等 ,相位相反的 电 流来消除 谐 波 ,其效果要比无源 谐 波方法好的多 ,但缺点是不能 进 行功率因数 补偿 ,还 需功
34、率因数 补偿 装置。此 2 种消除 谐 波方法各有特点 :动态 有源 滤 波 :消耗有功 ,制造与各次 谐 波相反的波形 ,抵消 谐 波。 动态 响 应 快 ,可适合 负载 随 时变 化的 场 合 ,但不能提高功率因数 ,价格高。静 态 无源 谐 波 :不消耗有功 ,利用 LC 振 荡电 路将 谐 波吸收并 导 入大地。 动态 响 应 慢 ,只适合 负载 相 对稳 定的 场 合 ,能提高功率因数 ,价格低。 针对风 机 变频调 速系 统 机后 压 力、流量等在用 户 无大的 调 整 过 程中 ,负载 相 对稳 定的特点 ,静 态 无源 滤 波装置更加适合 风机 变频调 速 调压 生 产线 。3
35、实 施改 进验证根据上述数据在 1 # 变压 器低 压侧 安装了 3、7、11 次消除 谐 波装置 ,投运比 较见表 2。测试时 生 产 数据 :风 机 转 速 35 Hz ,压缩 机机后 压 力 1. 5 MPa 。4实 践 应 用分析(1) 负 荷 电 流从 1 668 A 降到 1 050 A 降低了 618 A。同 时电压 从 375 V 提升到 386 V。(2) 电压 畸 变 率从 5. 8 %超出国家 规 定限 值 降到了 2. 4 %。远 低于国家 标 准 ,完全复合国 标 。滤 波效果 较 好。(3) 5 次 谐 波 滤 波器吸收 谐 波 电 流 309 A ,为谐 波 总电
36、 流的 90 %。(4) 7 次 谐 波 电 流从 40. 1 A 降到 16 A 谐 波 电 流 滤 除 24 A。(5) 由于工 艺 限制 ,11 次 谐 波 滤 波器未投运 ,但 5 次、 7 次 滤 波器也能 滤 除一部分 11 次和 17 次 谐 波 ,达到 电 流合格运行。今后随工 艺 改 进 ,11 次 滤 波器投运后效果会更好。(6) 功率因数达到 0. 98 以上。5节 能分析经过对滤 波器投入前后 压缩 机运行状况的 测试 比 较 来看 ,节 能效果明 显见 表 3。6 结 束 语要解决 谐 波 污 染危害 ,必 须 在保 证 良好的功率因数 补偿 前提下 ,根据 负载选择
37、 采用何种 滤 波装置。使用静 态 无源 滤 波装置 ,致命的是 ,如果 滤 波装置的 谐 波点 设计 不当 ,或由于元件的性能不 稳 定等原因造成其 频 率与 谐 波 频 率相同 ,将会 发 生并 联谐 振 现 象 ,造成 电 气 设备 的 损 坏。因此 ,无 论 何 时 只要有非 线 性 负载连 接到母 线 ,而又打算在母 线 上连 接 电 容 ,此 时 ,加装无功功率 补偿 系 统 一定要注意。探 讨谐 波治理措施在建筑 电 气 设计 中的 应 用2010-08-20 08:30:12摘要：本文 结 合笔者多年工程的 实 践 经验 ，对谐 波存在于智能建筑中的危害 进 行了分析，并 针对
38、 目前在建筑 电 气 设计 中 应 用的 谐 波治理措施作了比 较 与分析， 谨 供大家作参考之用。关 键词 ：智能建筑； 电 气 设计 ；谐 波治理措施；危害1 谐 波 对 智能建筑的危害智能建筑中 谐 波主要来自两方面：一是大量非 线 性 负 荷形成的 谐 波源，例如 计 算机系统 、开关 电 源、 电 子式 荧 光整流器等 导 致配 电 系 统 的 电压 、电 流 发 生畸 变 ，产 生 谐 波；二是公用 电 网本身具有一定的 谐 波含量和配 电变压 器作 为谐 波源 产 生的 谐 波，由公用电 网 侧传输 至配 电 系 统 。恶 劣的 谐 波 环 境将会 对 智能建筑中用 电设备 和系
39、 统 造成巨大的危害，主要表 现 在以下几个方面：由于 设备 自身 产 生的接地 电 流在 设备 和真 实 地之 间产 生一个 电压 降，因此，容易使电脑 死机；高次 谐 波会在中性 线 上叠加，中性 线电 流能 够 在建筑物金属 结 构上任意流动 ，从而 产 生不受控制的磁 场 ，即引 发计 算机屏幕的 频闪现 象；由于开关、短路以及 负载变 化而引起的短 时间电压变 化将会引起灯光 频闪 ，过 度的 频闪 将会使人体不舒服；严 重的 谐 波畸 变 会引起在一个正弦周波内的 额 外 过 零点，影响 测试设备 ，干 扰 程序控制装置的同步性， 导 致控制装置死机。智能建筑中 线缆 密布，系 统
40、设备 繁多，微 电 子装 备 复 杂 ，且防 护 能力弱，高次 谐 波将会使智能化系 统设备产 生 误码 、错码 、误动 作，使信号系 统 受到 污 染、 产 生噪声，甚至连 通 话质 量都不能保 证 。随着低 电压 信号在 IT设备 中使用的增加，比特 错误 率也随之提高，甚至可以高到使整个网 络瘫痪 。在 谐 波 电压 作用下， 电 容器会 产 生 额 外的功率 损 耗，加快 绝缘 介 质 的老化。更 为严重的是，大量 谐 波 电 流很可能引 发电 容器和系 统 其他元件之 间颠 琚 联谐 振或串 联谐 振，造成 电 容器超 载 而 损 坏；使与 电 容器 连 接的配 电 回路中所有 线
41、路、 设备 因 电压闪变 、超压 、过负 荷而 损 坏。配 电 回路的 谐 波 电 流含量高会使断路器遮断能力降低。 这 是因 为 畸 变电 流 过 零点 时 ，电 弧 电 流随 时间 的 变 化要比工 频 正弦 电 流大， 电 弧 电压 的恢复要迅速得多，使 电 弧容易重燃， 导 致 误 跳 闸 或在 该 跳 闸 的 时 候根本不跳。剩余 电 流可能会达到使剩余 电 流保护 装置 动 作的 设 定 值 。事 实 表明，空气 电 磁断路器不能遮断其分断能力范 围 内波形畸变 率超 过 50的故障 电 流，而且 还 会 导 致断路器 损 坏。电压谐 波会 导 致感 应电动 机的 额 外 损 耗。
42、高次 谐 波 导 致的扭矩脉 动 在 联 妯器和妯承处 会 产 生磨 损 和裂 纹 。由于 电 机速度是固定的， 谐 波中 储 藏的能量就以 额 外的 热 量形式散 发 了， 导 致 设备过 早老化。对 于 电 力 电缆 和配 电线 路， 谐 波 电 流 频 率增高会引起明 显 的集肤效 应 ，导线电 阻增大， 线损 加大， 发热 增加， 绝缘过 早老化，容易 发 生接地短路故障，形成潜在的火灾 隐患。在智能建筑中大量集中使用 电 子 计 算机和大面 积 采用 电 子 节 能气体光源照明的 场合，中性 线电 流甚至达到相 线电 流的 2 倍，致使中性 线过热 、烧毁 ，甚至 导 致火灾。2 谐
43、 波治理的主要措施采用无源 滤 波器。采用无源 滤 波器是 传统 的抑制 谐 波的方法。无源 滤 波器包括一 组以串 联 方式 连 接的 电 抗器与 电 容器。此 电 路的阻抗在某一 频 率下，被 设计 成比 电 网中的其他 电 路低的多。 这 种装置的缺点是容易 过载 ，在 过载时 会被 烧损 。另外，可能造成功率因数 过补偿 ，同 时 无源 滤 波器不能受控。因此，随着 时间 的改 变 以及配件老化或 电网 负载 的 变动 ，会改 变谐 波振 频 率，使 滤 波效果下降。更重要的是，无源 滤 波器只可以过滤 一种 谐 波成分。如果 过滤 不同的 频 率， 则 要分 别 采用不同的 滤 波器
44、，如有的 滤 波器只能 滤 除三次 谐 波。采用有源 滤 波器。并 联 型有源 滤 波器 实质 上是一个受控的、快速反 应 的 谐 波 电 流源，与非 线 性 负 荷并 联 ，自 动检测 非 线 性 负 荷 产 生的 谐 波 电 流。 DSP产 生的控制信号控制IGBT高速开关器件，通 过输 出 电 抗器， 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，其 结 果是系 统 只向 负 荷提供基波 电 流。在 设计 有源 滤 波器治理位置 时 ，需要根据 剧场 配 电 系 统 和 负 荷情况 颠 杌同， 设计 不同的安装位置。有源 滤 波器
45、的安装与 谐 波源越近， 滤 波效果越好， 这 是减小 谐 波 电 流和 谐波 电压 畸 变 的最好 办 法。但在一些非 线 性 负 荷分布 负载 的 场 合，可以采取 变压 器 总补偿 或二 级 配 电补偿 的方案，而且不同方案可以配合使用。由于有源 电 力 滤 波器安装位置灵活，可以完全 实现 根据 设计 需要达到最完美的 谐 波治理效果。采用混合型 滤 波器。可将有源 电 力 滤 波器与无源 电 力 滤 波器混合使用。其中，无源滤 波器由 3、5、7、9 次 单调谐滤 波器支路及高通 滤 波器支路 组 成。有源 滤 波器由 8 个IGBT、直流 电 容及 滤 波 电 感构成。直流 电 容
46、可 为 有源 滤 波器提供一个 稳 定的直流 电压 ；滤 波 电 感可减小有源 滤 波器 产 生的高 频 开关 频 率 谐 波。有源 滤 波器和无源 滤 波器串 联后并人 电 网。由于有源 滤 波器不是直接 对谐 波 电 流 进 行消除，它所 产 生 颠韫偿电压 中只含有 谐 波 电压 ，故其功率容量很小，具有良好的 经济 性，从而可降低系 统 老本。采用 谐 波保 护 器。采用磁性方法治理 谐 波比有源 滤 波器老本更低。 谐 波保 护 器从任何一种 谐 波 对电 路系 统带 来危害的本 质 上着手解决 问题 ，即采用磁 场 吸收 谐 波能量的方法，具有很高的可靠性与使用寿命。此 类产 榀如
47、 谐 波保 护 器（ HPD），采用了超微晶合金材料与 创 新科技的特 别电 路，能吸收各种 频 率各种能量的 谐 波干 扰 ，将 谐 波消除在 发 生源，自 动 消除 对 用 电设备产 生的随机高次 谐 波和高 频 噪声、脉冲尖峰、 电 涌等干扰 。HPD并 联 在 电 路中使用，本身并不耗 电 。3 结语在 实际 工作中，由于 谐 波具有多 发 性、随机性和不可重复性， 导 致智能建筑中的各种 电气 设备 性能下降、无法工作的 现 象 时 有 发 生，因此， 为 保 证现 代智能建筑中各种不同 类型 设备 和 计 算机及精密 电 子装置正常、可靠、高效地运行，必 须 要采取相 应 措施，确保用 电设备 的使用寿命，从以上分析可知，笔者 觉 得采取混合 滤 波器能快速、有效地跟踪谐 波 变 化，抑制 谐 波，是最有成效的一种措施。参考文献：1戴瑜 兴 ，张义 兵，故 庆伟 .智能建筑 谐 波和无功功率的 综 合治理 J电 工技 术 ，2003（12）：31-33.
