试论低压电力系统谐波的产生危害及其防护

试论低压电力系统谐波的产生危害及其防护

刘军军

神木市电石集团能源发展有限责任公司   陕西，神木市   719300

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摘要：随着电力应用愈发广泛化，人们开始重视电力系统的安全。因为电网中有特殊的用电设备，在工作时电流与电压无法保持正比，像是大功率整流器、中频炉等，若是这类用电设备接入到电网中，电流与电压会产生影响，形成谐波，危害电力系统。基于此，本文主要分析了低压电力系统谐波可能导致的危害，及相关的防护措施。

关键词：低压电力系统谐波；危害；防护

引言

电力系统运行过程中，谐波问题会产生较严重的谐波污染问题，影响电力系统电能供应的效率、质量等，特别是在地铁的电力系统中。出现谐波问题之后，将会极大威胁电力系统的电能供应，进而导致地铁运动安全性、稳定性等受到不良影响，不利于人们安全出行。因此需重视研究相关的防护措施。

一、低压电力系统谐波来源

导致低压电网产生谐波问题的因素主要包含如下几点：

（一）发电质量较低

在受到科技发展水平等因素的影响下，令发电机三相绕组技术发展受限，无法保证绝对对称，铁芯的绝对对称也很难保证均匀。在这些问题的影响下，会致使发电源本身发电时出现谐波，而对比其他来源，发电源本身产生的谐波数量极少。

（二）输配电系统

对输配电系统而言，因为处理变压器铁芯日渐饱和，磁化曲线的非线性特征明显，电力变压器在经济等因素的限制下，工作磁密在磁化曲线近饱和段。由此会使磁化电流表现出尖顶波形，继而形成奇次谐波。铁芯饱和度越高的情况下，谐波的电流也就越大。

（三）用电设备产生谐波

多数用电设备都会产生谐波，例如变频设置、电弧炉、家用电器等。变频装置的使用较普遍，并且变频装置通过香味控制的方法，令谐波构成也变得较普遍化，变频装置的功率相对较大，对电网产生的谐波也会变多[1]。

二、电力谐波的危害

（一）对旋转电机的影响

谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩，损害电机绝缘强度及机械强度。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流注入电机后，畸变波形电流在电机绕组中产生的总损耗等于基波电流产生基本损耗和各次谐波电流产生的额外损耗之和。定子三相绕组中的谐波电流产生各自转速的谐波旋转磁场切割转子，在同步发电机的组合转子铁芯和异步电动机的转子铁芯叠片中感生谐波电流，引起转子铁芯额外损耗和发热，影响转子绕组的绝缘强度。电机的温升还由于瞬流使电感性负载电流损失增加和铜损提高而造成。由于瞬流高压的冲击，多余的电能转换成热能，因而使电机的运行温度上升，电机温度每上升一度，大约增加4％的电耗。

（二）对变压器的影响

对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热。这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。因此为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。而用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量反应在电费上，谐波也会导致变压器噪声增加。

（三）对电力电缆线路的影响

电缆线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致损耗增加。另外，电缆的对地电容较大，容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，更容易发生造成绝缘击穿的事故[2]。

三、电力系统谐波的治理措施

对电力系统中谐波的治理应该从两方面来考虑，一是产生谐波的非线性负荷;二是受谐波污染危害的电力设备和装置。这两个方面应该相互配合，统一协调。谐波的治理具体可采用以下方法：

（一）加装无源滤波器

无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路，当LC回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。

（二）加装有源滤波器

有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测，根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性。且可消除与系统阻抗发生谐振危险。也可自动跟踪补偿变化的谐波。但存在容量大，价格高等缺点。

（三）加装无功补偿装置

在谐波源处装设静止无功补偿装置（SVC），以补偿快速变动负荷的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等。

SVC静止无功功率补偿成套装置由LC单调谐无功功率补偿滤波器FC、一组三相由高压晶闸管阀控制并联电抗器导通角来改变功率的静止动态无功补偿单元（TCR）及控制系统组成。TCR静止型动态无功补偿单元是向电网提供在一定范围内可调的感性无功功率补偿，用于克服LC回路可能引起的过补偿情况。TCR静止动态无功补偿单元由三组反向并联的高压晶闸管阀和三组并联电抗器组成；控制系统调节器自动跟踪负荷的工作状态，发出与冲击负荷相关的TCR触发脉冲；脉冲通过光电转换及高压光缆传递给各晶闸管阀；改变触发角，可以改变主抗器的电流量，从而改变回路的感性无功功率，实现了动态补偿的功能，通过TCR回路对无功功率的跟随作用，使用户流入电网的无功功率趋于一个相对稳定的数值；同时TCR回路还可以通过控制系统调节器调节不平衡负荷的不对称功率分配，抑制电网的三相不平衡[3]。

结语

综上所述，在治理系统谐波时，应充分考虑系统中各种因素的影响，兼顾各个指标，选择合理有效的滤波方案。对引发谐波的原因进行分析，并且研究出相应的防治措施，避免对低压电力系统的有效运行带来影响。

参考文献：

[1]GB/Z 17625.14-2017, 电磁兼容　限值　骚扰装置接入低压电力系统的谐波、间谐波、电压波动和不平衡的发射限值评估[S].

[2]王桃友. 低压配电系统的谐波分析及其抑制方法[J]. 通讯世界,2014,(20):68-69.

[3]姜晓东,林必宝. 谐波对低压电力系统的影响[J]. 硅谷,2011,(07):15-16.