浅谈供配电系统中谐波的影响及其治理

浅谈供配电系统中谐波的影响及其治理

包党泉

（广东四维电力工程有限公司广东开平529300）

摘要:当前电力电子设备带来的谐波污染等电能质量问题对电力系统的稳定及安全产生了很多潜在的威胁，可以说谐波的存在影响着整个电力环境。为此，本文针对供配电系统中电能质量存在的例如谐波污染等问题进行了详细的分析和讨论，并提出了改善这些问题，抑制谐波污染的有效治理措施，仅供参考。

关键词:供配电系统；电能质量问题；谐波；影响；治理

引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，各类电子技术的发展，越来越多的工业、商业电子设备进入人们的日常生活和工作领域中，并且被广泛使用。它们在给生活和工作带来了极大的便利，同时也对电能质量提出了更高的要求。影响供电系统电能质量的问题有很多，其中，谐波问题一直是主要的电能质量问题。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”，给供电电网和用户带来了越来越多的影响和干扰，这种污染的危害性较大且不易觉察，而电网污染面的扩大往往会导致无法预料的结果。因此有必要对其产生机理与治理措施作一个详细的讨论和分析。

1供配电系统的电能质量问题

1.1供电中断

持续达1min以上的电力停止供应。造成停电的原因是由于发电机或配电装置的事故、输出线路的故障、或者系统过负荷时的切断负载。其明显的后果是全部用电设备完全断电，无法使用。

1.2短暂停电

在1min以内的完全停电。通常是在暂态故障后由自动重合闸装置的动作所造成的，电脑和通信设备将会关断并丢失数据，重新启动需要数分钟的时间，数据恢复的时间则更长。

1.3瞬态过电压

有快速突升的高压脉冲叠加到供电电压上。有多种形成的原因，包括雷击的残压、改善功率因数的电容器切换及感性负载的切换。

1.4欠电压及过电压

长时间的偏离规定的电压或由变压器抽头分接开关事故所造成。欠电压可能是由供电者为减负荷而造成的，可导致设备工作不正常，如笼型异步电动机的过热。过电压可造成多种电气设备及电子设备的永久性损坏。

1.5电压的骤降及涌压

超出规定范围的电压短时间的扰动。造成的原因为诸如大电动机之类的大负荷起动及切断。在极端的情况下，电压骤降可使设备停机，而涌压则会导致设备的损坏。

1.6电压不平衡

三相电源各相的电压不对称。是由各相所加的负荷不均衡所致。会使变压器内产生环流(及过热)，也可使三相电动机的效率降低。

1.7闪变

供电电压周期性的波动。是由诸如电弧炉的运行、循环换流器传动系统的周期性变化的负荷所造成的。结果使照明系统发生的闪烁现象。

1.8谐波畸变

电压波形畸变。是由非线性的负荷所造成的。结果造成变压器中由于涡流及磁滞损失的加大而过热，电动机的过热及转矩的下降，以及中性线和补偿电容器过热。

1.9对地泄漏电流

在许多的现代电子设备中都产生对地泄漏电流。对一台设备而言，这种电流是十分微小的(通常小于3.5mA)。但是在有多台计算机的大电气系统内，此合成电流可能相当大。再者，在对地泄漏电流中还有一种重要的高频分量，它是由从电源单元中开关瞬变过程的滤波作用所产生的。多数的接地系统在设计上主要考虑的是安全的接地，但未顾及高频的连续对地泄漏电流问题。

可见，供电系统的电能质量涉及到诸多方面(见表1)，表现形式也多样，对供电系统及设备本身都有着不利的影响，随着科学技术和人们生活水平的提高，对电源的质量也提出了新的更高的要求，从“环保”的高度严格要求电能质量，必须采取有效措施加以抑制。

注:感性负荷投切:例如电动机、变压器及照明镇流器等的投切。

大的周期性负荷:例如电弧炉、点焊机。

2谐波源设备及其特征

所有的非线性负荷都会产生谐波负荷电流。

2.1开关模式电源(SMPS)

大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们已将传统的降压变压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存储电容器充电，然后再用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。其优点是器件的尺寸、价格及重量均可大幅度地减低，并且此电源装置几乎可制造所需要的任意的波形系数，缺点是不管它是哪一种，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流，而此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波以及高频的分量。对于大功率的装置，采用所谓的功率因数校正装置已经成为近来的趋势。其目的在于使电源所供的负荷成为电阻性负荷，使输入电流呈正弦波形，并且和供电电压在相位上相同。它是用把输入电流化成高频的三角形波，再用输入滤波器平均化成正弦波。

2.2荧光灯的镇流器

电子荧光灯镇流器因其能提高电效率在近年被大量采用。其不足之处是其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有功率因数校正的产品可减少谐波，但成本昂贵。电源镇流器虽也产生谐波，但其大小通常较电子镇流器的为低。它通常配带一个就地补偿的功率因数校正电容器，它对谐波电流可起到一个低阻抗分流器的作用。

2.3直流调速传动装置

直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，它亦可用于直流输电线路和不间断电源上，也称作6脉冲桥式整流电路，因为在直流输出侧每周波内有6个脉冲。桥式电路产生的谐波次数为:n=6k±1，式中的k为整数，各次谐波电流的幅值为:In=I1/n，式中的I1为50Hz分量的幅值。

用12脉冲的桥式电路可大幅度地减少5次、7次高次谐波。实际上它们是两套6脉冲桥式线路，分别由变压器的星形及三角形绕组来馈电，可在两桥路间提供相移30°的电压。理论上5次及7次谐波可以消除，但实际上仍然占基波的0.4%～1%，较高次谐波仍未减少。在假设电源内阻抗为零时，总的谐波电流大约可降至12%；不仅总谐波电流降低了，并且余下的是较高次谐波，其滤波器的设计也更容易。

交流电动机的调速控制器使用相似的换流器来产生直流，再经过逆变器以产生传动装置所需频率的交流。除了变流器必然产生的谐波外，还产生与传动装置工作速度有关的别的电流成分，属于间谐波或者次谐波。

2.4不间断电源(UPS)

其逆变器起着双重的作用。正常运行情况下它对蓄电池充电。当检测到电源的停电事故时，逆变器被从电源上断开，电能由蓄电池经过逆变器馈给负荷。UPS上的输入变流器与变速传动装置上的变流器十分相似，并且同样会产生谐波畸变。同UPS供电的负荷总是电子信息设备，它们是非线性的并且含有大量的低次谐波，因此，UPS的输出变压器的额定值必须适当加大以防止过热。在三相系统上，在中性线上还有3的整数倍次的谐波。在UPS内所有中性导线以及其余的配电电路上的中性线均应有足够的额定截面，以承载这些增长了的电流，其值大约可达相线电流的两倍。

3谐波的不利影响

3.1变压器

高次谐波对三相变压器的影响取决于变压器绕组的接线方式(星形的或三角形的)。对于Y/Y接线，相电流间的不平衡结果会使星形中性点位移，使相线对中性线的电压不相等。3N倍的谐波电流在一次侧及二次侧的相线对中性线的电压上均造成谐波电压并使中性点的电压脉动。如果原边是四线制的(即自中性点拉出中性线)，电压就不会有畸变，但原边中线上要流过谐波电流，而引起电源系统的畸变。加上第三个三角形接法的绕组就可以克服这个问题(容量为变压器额定值的30%)，它给循环的不均衡的电流及3N次谐波电流提供了通路，这样就可防止它们传入电源配电系统。在△/Y变压器里，不平衡电流和3N谐波电流在一次绕组内循环流动而不会传到电源配电系统中去，这种接法是配电变压器中最常用的一种。

无论谐波电流传出去与否，所有的谐波电流都要增大在变压器的绕组和铁心上的损耗，这种环流不做有用的功，但会引起额外的损耗并增加绕组的温度，并且更高的谐波频率使磁损及涡流损耗加大。

3.2感应电动机

和变压器中的情形一样，谐波畸变会加大电动机中的损耗。这是由于激磁磁场的谐波会产生附加的损耗，而每个谐波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)。零序谐波(3次以及3的倍数谐波)产生不变动的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁损耗大大增高而将谐波能量以热的方式释放。负序的谐波因产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言)，而使电动机的转矩下降；正序谐波因产生正向旋转磁场而加大转矩，但它和负序分量一起，可造成电动机的振动而降低电动机寿命。

3.3断路器的误动作

剩余电流断路器(RCCB)是根据相线及中性线中的电流之和来动作的，如果电流之和大于额定的限值它就将负荷的电源切断。出现谐波时RCCB误动作有下面的两个原因:一是因为RCCB是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分量的和，引起误跳闸。二是由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要大。

3.4补偿电容器过载

补偿用的电容器是用来产生相位超前的电流来抵消由像感应电动机那样的感性负荷所产生的相位滞后的电流。电容器的阻抗是与频率成反比例的，所以它对谐波电流就呈现非常低的阻抗。若电容器容抗和供电变压器的漏感抗在某一个谐波频率或接近这一频率时相等，将发生危险的谐振而导致非常大的电流或电压。

3.5集肤效应

交流电流趋向于在导体的外表面流动，即集肤效应，当频率高时这一效应更为显著。通常因为集肤效应在电网频率下影响很小而被忽略，但是大约在300Hz以上时，集肤效应将趋显著而导致附加的损耗和过热。

4谐波的治理

谐波在供电系统中造成的严重危害，促使世界各国对谐波问题日益重视和关心，制定关于电力系统谐波和用电设备谐波方面的标准或规定。我国的谐波治理工作也日益受到重视，在1993年发布了《电能质量•公用电网谐波》(GB/T14549－1993)，国标明确规定了谐波源用户注入公用电网的谐波电流标准和不同电压等级下电网电压畸变水平的规定(如表2)，使我国的谐波管理工作走上了正规化。

对电力系统的高次谐波进行综合治理，通常从两个方面入手，一方面针对谐波源本身，另一方面在电网内部采取措施进行抑制，使之在规定范围内。采取的主要措施有:

(1)合理装设无源交流滤波器(FilterCompensation，简称FC)这种途径是现阶段最常见、最实用、也是最有效的抑制高次谐波的措施。无源滤波装置由电力电容器、电抗器和电阻器联结成的交流滤波器组合而成，运行中它和谐波源并联。除作滤波外，兼作无功补偿。滤波装置通常包括数组单调谐滤波器和一组高通滤波器。常用于工程实际的滤波器种类有:各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单；缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加。高通(宽频带)滤波器，一般用于某次及以上次的谐波抑制，即可以通过参数调整，形成该滤波器回路对某次及以上次谐波形成低阻抗通路。

(2)装设有源滤波器(ActivePowerFilter，缩写为APF)APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它的主要特点是:滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性；APF作为改善供电质量的一项重要技术，在工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用，但在我国的中压配电网中应用APF还有一定的难度。

(3)增加整流器脉动数或改善谐波源特性整流装置是供电系统中的主要谐波源，其在交流侧所产生的高次谐波为PK±1次谐波，即整流装置从6脉动谐波次数为n=6k±1，增加到12脉动时，谐波次数n=12k±1(k=1、2、3⋯⋯)，可以消除5、7、17和19次谐波，并且谐波电流的有效值与谐波次数成反比。可见，增加整流器的相数，可以有效地消除低次谐波。

(4)改善供电环境，合理选择电压等级如设法加大系统的短路容量，提高谐波源负荷的供电电压等级。由专门线路为谐波源负荷供电等措施。虽然改善供电环境是在设计阶段完成的，但这点很重要，因为这样做，既可以完善接线形式，减少不必要开支，同时为优化设计，给谐波治理带来许多便利，为今后的发展打下好的基础。

电能质量研究的意义，在于其对电力电子等技术发展的影响，电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同传动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子技术所产生的谐波污染等电能质量问题已成为阻碍电力电子技术发展的重要障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义还在于我们可以从治理电气环境污染、维护配电系统绿色环境的角度来认识，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。

应该说，现阶段无源滤波器在供电系统中的广泛工程应用，已经充分发挥它的效果明显，维护运行方便、制造技术成熟的作用，相信它在高低压滤波技术与谐波的综合治理方面具有广阔的用武之地。

5结语

总而言之，了解谐波的产生机理和对电气设备的影响以及治理措施，为减小谐波对人们的生活、生产带来的不利影响提供了合理的依据。在谐波治理中，我们应该特别重视谐波对电力设备的危害，根据不同的情况积极采取合理的应对措施，争取把谐波污染降到最低；同时也要重视无源滤波器的应用。随着时代的发展，供配电系统中存在的电能质量问题能够得到有效的解决，谐波抑制技术也会得到不断的发展，这俩者的有效解决能够促进我国电网的健康、良好发展。

参考文献

[1]郑康.矿山供配电系统谐波及其治理技术的探讨与应用[J].通讯世界.2014(05)

[2]刘秀兰,栾逢时.电力谐波对电力系统的影响及治理方法[J].电气应用.2015(S1)

[3]马骁旭,王寿星,魏延彬.微电网中的电能质量问题及谐波抑制的研究[J].工程技术(文摘版).2016(11)