农村电网谐波分析与抑制

农村电网谐波分析与抑制

王增梅

丽江市玉龙县农业局农机推广站

摘要：目前，在中国农村地区的电网谐波污染越来越严重的现状下，分析了谐波污染的主要原因，详细论述了电力谐波污染的危害。针对不同的情况，提出了一些具体的谐波治理措施，为农网谐波污染控制提供了一个全面的解决方案。

关键词：农村电网；谐波污染；危害；谐波抑制

1.1电网谐波的含义

电网谐波为具有供电系统基波频率整数倍频率的正弦电压或电流。在理想情况下，电压波形是正弦波，但由于有许多非线性电气设备投入运行，电压和电流波形不完全非正弦波形，正弦波有不同程度的失真。非正弦波是周期性电量，根据傅立叶级数分析，可以分解为基波分量和有基波频率整数倍的谐波分量。

1.2.来自系统的影响

在电力系统中，由于定子和转子之间的交流存在一定的气隙，而且在铁心齿、槽及工艺等诸多因素的影响，气隙的分布是不均匀的，导致三相电压会产生一定数量的奇次谐波；

电网中存在大量的变压器，当变压器处于空载或过励磁时，会产生奇次谐波，而且形成一个较稳定的谐波源；

在变压器或电容器的开关过程中，因为会有空载现象出现，这种情况下会有合闸涌流注入到电网中，导致突发性谐波的产生。

1.3农村电网中的主要谐波源

农业生产的各种电弧炉、电动机、开关电源、荧光灯、电视机等，给生活带来了便利，但是工农业生产在给人们的日常生活带来便利的同时，还向农村电网倾倒了大量的谐波垃圾。在农村电网中的主要谐波源：变压器、电动机和发电机；二是电力电子装置，包括传动装置、不间断电源（UPS）、整流器、逆变器、开关电源、晶闸管控制系统；三是荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤灯。电力谐波不仅造成电压波形畸变，使电能质量和功率损失增加，但它会带来灾难性的后果，如引起重要的控制和保护设备故障，电力设备的过载或损坏，改善功率因数的电容器组被破坏等。

2.1变压器滤波故障

在配电系统中存在大量的变压器，由于变压器铁心非线性磁化密度和磁化曲线在饱和磁化曲线附近容易出现饱和问题。这导致了一个尖顶出现在磁化电流中，内部存在着许多奇次谐波。变压器铁心的饱和度越高，在线性更远的距离处存在工作点，所以会产生较大的谐波电流，一旦出现问题较重，则三次谐波电流，同额定电流的5%吻合。如下表为某地母线电压的谐波情况：

通过表1能够得知，同负荷高峰进行比较，负荷低谷时就会将10KV母线电压提升5%左右，然而，却在很大程度上提升了谐波电压值，尤其是提升了1倍左右的谐波，也提升了近一倍的总谐波，这样电能质量相关规定中的谐波限定值就会被10KV母线谐波电压所超过。

2.2保护装置受谐波影响

自动控制装置和继电保护装置受到谐波的影响，从而出现跳闸和故障等问题，如变压器空载合闸时励磁涌流易发生谐波，使继电保护装置容易出现故障。

2.3谐波问题出现在电弧炉中

中频电弧炉在乡镇冶炼企业中得到了广泛的应用，具有投资少、技术含量低的特点。电弧炉产生的谐波电流很大，在农村电网中会产生严重的谐波污染问题。尤其是一些农村电力内部供电形式不合理的情况下，居民用户与乡镇企业用同样的电力线，会出现居民用户家电烧毁等现象。

3农村电网谐波产生的原因及危害

3.1农村电网谐波产生的原因

人们通常说的谐波主要是指高次谐波。农村电网谐波产生的根本原因是由于一些设备和负荷的非线性特性引起的波形畸变，即电压与电流不成线性关系。所说的非线性行为的是指不规则的和随机变化的电弧电压和电弧电流之间的关系。当电网向非线性设备负载供电时，这些设备或负荷基本能量转移、转化和吸收系统同时提供基波能量系统的能量转换部分将产生大量的谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。

目前，农村电网谐波源主要有三类：铁磁饱和型、电子开关型和电弧型。包括各种核心设备的磁饱和型，如变压器、电压调节器，其磁饱和特性是非线性的；交流/直流转换器的电子开关（整流器和逆变器）和双向晶闸管变频空调、电磁炉、微波炉控制开关主要由弧型；各种电弧炉熔化期交流弧焊机焊接时，引弧和一个高度非线性的形成发生剧烈变化，产生的电流不规则的波动。综上所述，造成农村电网的电力设备谐波主晶闸管整流设备，变频器产生，电弧炉、电石炉、气体放电光源，家用电器，开关电源，荧光灯电子镇流器、直流传动装置、不间断电源、核心设备等。

3.2谐波对电网的危害

3.2.1谐波对电网运行的危害

（1）谐波达到一定程度时，会有一个电压谐振，产生谐振过电压绝缘线路和设备故障，造成短路故障；（2）在电力系统中的谐波会导致继电保护和自动装置的误操作，从而为系统的正常性、安全性带来较大的影响；（3）大量在电力系统中的谐波，会导致大多数的监视和测量仪表出现误差；（4）谐波对电网通信系统会带来很大的影响，使通信清晰度下降，由于共振的存在，同时也带来了严重的通信系统的干扰；（5）当谐波注入电力系统，不仅会影响功率因数补偿的效果，甚至导致计算系统失控。

3.2.2谐波对电网电气设备的危害

在电气设备现阶段电网运行方式基本实现了自动化和智能化，所以电气设备运行过程中需要通信网络信号的传输，在信号传输过程中电子设备可能受到不同程度的谐波的影响，进而影响到电气设备的安全稳定运行。例如，电动机、变压器、输电线路继电保护装置及其它测量仪器，在操作中，需要完成由电流传输提供的电压，如果电压谐波电流的影响，增加的损失将导致线路或电气设备，造成保护装置故障等现象。如果电容器产生的谐波电压，则会导致电容器的阻抗很小，并且随着谐波频率的增加，电容所产生的阻抗会越来越小，导致电容器过载或烧毁。谐波会降低信号的传输质量，对线路进行物理干扰，因而破坏了电气设备的正常运行，极大的危害到电网的正常运行，因此迫切需要采取有效措施控制谐波对电气设备的影响，提高系统的安全性和进稳定性。

4谐波具体治理措施

4.1滤波

滤波是一个电信号中的一部分信号，在交流信号中被滤除，通常是在电网或电力设备中没有一些交流信号的情况下通过滤波来消除它。通过滤波可以有效地消除谐波，特别是高次谐波。该滤波器具有源滤波器和无源滤波器，在实际应用过程中，无源滤波器应用较多，在应用过程中也能产生良好的效果，具有良好的经济性。滤波通常由一系列串联滤波、并联滤波和低通滤波三种形式，其中串联滤波可以对三次谐波具有较为明显的抑制效果，并联滤波器可以将多次谐波滤出，可以给系统提供无功补偿，消除净化过程谐波与功率有很好的效果。低通滤波器对高次谐波治理有很好的效果。

利用并联电容器补偿能够有效的治理谐波，具体补偿过程中主要有以下几种补偿方式：

一是集中补偿。高压电容器安装在总降压变电站或高压母线负荷分配站。二是分散补偿。当电源分散，功率因数低时，低压并联电容器可安装在低压配电室。三是地方补偿。当电机和电源的距离后，属于中、大容量和连续工作的需要，需要使用当地的无功补偿装置，可有效保证功率因数的提高，还可以有效地降低线路损耗，降低总功率流，确保变压器负载率提高。

4.2接地

通过正确的接地，可以有效地抑制系统的外部干扰，有效地减少设备本身对外界的干扰。但在实际应用系统中，供电线路的零线系统中，无论情况如何，屏蔽连接的控制系统也是混乱的，对系统的稳定性和可靠性有很大的影响。在正常接地过程中，变频器的接地需要与其他电源设备有效地分开，不能共用接地。

4.3屏蔽

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效方法。通常变频器本身用铁屏蔽，不让电磁干扰泄漏；输出线最好用钢屏蔽，特别是以变频器控制的外部信号，信号线尽可能短，信号线采用双芯屏蔽，完全脱离主电源线和控制线，不得放在同一管道或线槽周围的敏感的电子设备也需要屏蔽线。为了使屏蔽有效，屏蔽必须可靠接地。

4.4采用电抗器

变频器的输入电流中，频率较低谐波的比例非常高，它们除了会干扰其他设备的正常运行，还因为他们消耗大量的无功功率，使得线路的功率因数降低。输入电路内电抗器是抑制低谐波电流的有效方法。

4.5采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施

谐波抑制方法加装有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种新型的电力电子装置，可以用来抑制谐波和补偿无功功率型。通过监测电压和电流的有源电力滤波器补偿指令电流计算电路计算的补偿电流，补偿电流放大电路的信号得到补偿电流、负载电流和补偿电流由于谐波电流大小相等、方向相反的方向偏移，因此，电流和电压的电网恢复正弦波。有源电力滤波器可以补偿频率和幅值的谐波，补偿性能不受电网阻抗的影响。此外，有源滤波器还可以发送基波无功电流，以进一步减少负载的无功功率，提高功率因数。有源电力滤波器具有良好的性能，体积小，但由于成本高，目前只适用于小尺寸低电压谐波补偿。

5结束语

谐波恶化了农村电网的电能质量指标，降低电网供电的可靠性，不仅危及电力设备的正常运行，还造成了额外的功率损耗，缩短电器设备的使用寿命。谐波污染已成为农村电网的一大危害，农村电力企业应采取技术措施和管理措施两方面，不断完善农村的日常操作和管理电能质量监测和评价体系，加强农村电网的电能质量管理，技术措施进行综合防治谐波。实现电力负荷和农村电网建设有序发展，提高农民生活水平，为农业和农村经济可持续发展提供可靠保障。

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