浅谈谐波电流对防雷安全的影响

浅谈谐波电流对防雷安全的影响

叶天宇

上海雷衡防雷科技有限公司，上海201913

摘要：为确保电力系统防雷安全工作有序开展，减少谐波电流对防雷安全造成的影响。本文对谐波电流的产生机制加以研究，结合谐波电流产生原理，分析谐波电流对防雷安全产生的影响。研究结果表明，谐波电流产生会增加系统遭受雷击的风险，且对防雷设施同样会产生影响。因此，相关技术人员应采取合理的措施，实施防护，减少谐波电流的同时，避免其对防雷安全造成影响，以确保电力系统防雷设施的安全性。

关键词：谐波电流；防雷安全；滤波器；绝缘保护

引言： 谐波电流由非线性负载产生，系统内电子设备、变频器、电弧炉等，均属于非线性负载。在谐波电流产生后，会对系统运行稳定性造成影响。考虑到谐波电流产生的原因具有多样性，且存在安全隐患，在防雷安全防护方面，应以预防为主，做好谐波电流的预防，减少谐波电流产生的同时，做好相关设备的防护工作，减少谐波电流对防雷系统产生的影响。

1谐波电流对防雷安全影响

谐波电流是指在电力系统中，频率为基波频率的整数倍的电流分量。在电力系统中，电流通常是交流电流，其频率为50Hz或60Hz的基波频率。然而，在实际运行中，电力设备和非线性负载会引入谐波电流。谐波电流的产生主要是由于非线性负载的存在，如电子设备、电弧炉、变频器等。这些负载会引起电流和电压的非线性变化，导致电流中包含基波频率的整数倍的谐波分量。电力系统之中，谐波电流产生会对防雷安全产生不良影响，主要集中在以下几个方面。

第一，增加雷击风险。谐波电流会导致电力系统中电压的失真，使得电力设备的绝缘能力下降。这增加设备受到雷击的风险，失真的电压波形会导致电力设备的绝缘性能受到损害，使其更容易受到雷电冲击[1]。

第二，引发设备故障。谐波电流会导致电力设备内部产生过热和机械振动等不利影响，可能引发设备的故障。故障会导致电力系统的短路、开路或其他故障，进而影响防雷设施的正常运行。

第三，影响防雷设施的工作效果。防雷设施通常设计用于抵御基波频率的雷电冲击，而谐波电流的存在可能导致防雷设施的工作效果下降。例如，谐波电流会引起防雷接地系统的电位升高，从而降低接地效果，使得防雷设施无法有效地将雷击电流引导到地下。

以避雷器为例，谐波电流的产生会影响到避雷器的正常使用。谐波电流中含有高次谐波成分，会使得避雷器的放电能力下降。因为避雷器通常是根据基频电压下的放电特性设计的，而高次谐波电流的能量分布和基频电流不同，导致避雷器无法有效地将其导向地线，从而降低了避雷器的工作效果。此外，谐波电流会引起避雷器内部产生大量的额外损耗。由于高次谐波电流的频率较高，会在避雷器内部产生额外的损耗，如焦耳热损耗和介质损耗等。额外损耗会使得避雷器发热增加，降低其工作寿命，并可能导致避雷器失效。最后，谐波电流中的高次谐波成分会导致电压波形畸变，进而引起过电压问题。由于避雷器是通过放电来保护设备免受过电压的影响，而谐波电流的存在会使得避雷器频繁地放电，增加了避雷器的过压风险。过多的放电会导致避雷器寿命缩短，并可能引发其他设备的故障。

2减少谐波电流对防雷安全影响措施

2.1低谐波负载

    谐波电流产生对防雷安全影响比较大，为了避免谐波电流对防雷安全产生较大的影响。在系统设备的安装和选择方面，应选择具有较低谐波产生特性的设备和负载。例如，在选择电子设备、变频器、电弧炉等非线性负载时，可以考虑其谐波产生水平，并选择具有较低谐波产生的设备。必要时，可在电力系统中合理安装谐波滤波器，将谐波电流引导到滤波器中消除或降低。谐波滤波器可以根据谐波电流的频率和幅值进行设计，以有效地滤除谐波电流。对于已经安装的非线性负载设备，可通过优化其运行参数来减少谐波电流的产生。例如，调整变频器的调制方式、减小电弧炉的工作电流等。在规划和设计电力系统时，应合理安排负载的布置和容量，避免过度集中非线性负载设备。合理分布负载能够减少谐波电流的产生和传播。

2.2做好防雷设备绝缘防护

    从防雷设施的角度看，为了避免谐波电流的影响，应提高电力系统中防雷设施的防护功能，减少谐波电流产生的可能性。其中，接地系统是防雷设施的重要组成部分，要确保接地系统的接地电阻符合规范要求。合理设计和布置接地系统，确保接地电阻低、接地导体良好连接，并采取适当的措施保护接地系统免受损坏。在防雷设施设计和建设中，选择适当的绝缘材料和绝缘系统，以提高设施的绝缘性能。根据具体需求选择合适的绝缘材料，如绝缘胶、绝缘板等，确保其具备良好的绝缘性能和耐电压能力。对于暴露在室外的防雷设施，可以使用防护罩或绝缘罩进行额外的保护。防护罩子可提供额外的绝缘层，防止设施受到外界环境因素的影响，如雨水、灰尘等。此外，相关技术人员应定期对防雷设施进行绝缘检测，以确保其绝缘性能符合要求。在此期间可使用绝缘电阻测试仪等工具进行检测，并及时修复或更换损坏的绝缘材料。最后，技术人员还应定期清洁设施表面，防止灰尘和污物积累导致绝缘性能下降

[2]。

2.3加强防雷设施检测和维护

引进监测系统是一种有效的措施，可帮助监测和管理谐波电流对防雷安全的影响。技术人员应在系统内安装谐波电流监测设备，对电力系统中的谐波电流进行实时监测，及时发现谐波电流的存在和变化，并进行相应的分析和评估。对于防雷设施而言，也可引入防雷设施状态监测系统，对防雷设施的工作状态进行实时监测。检测对象包括接地系统的接地电阻、绝缘材料的绝缘性能等。利用监测系统可及时发现设施的异常情况，识别接地电阻升高、绝缘材料损坏等问题。监测系统应具备数据分析和报警功能，能够对监测到的数据进行分析处理，并在发现异常情况时及时发出报警，帮助运维人员及时采取措施，防止谐波电流对防雷安全造成严重影响。监测系统也应具备远程监控和管理功能，运维人员通过远程访问监测系统，实时查看设施的状态和数据，方便及时监控和管理，提高设施的运行效率和安全性。

3以下是笔者主持的项目实例：

该项目概况：

苏州时代广场天幕是目前世界上最大的LED天幕，长约500米、宽32米、高21米。苏州时代广场天幕采用如同水立方造型的膜结构封顶，配合新型LED灯条、灯带、射灯等，整个“天幕”由2000多万只超高亮度的LED灯组成，显示面积超过6000平方米，与此同时“天幕”系统在设计采用了三维声像扩声系统，完美的做到了影像声音同步。

该项目的主要问题：

（1）在长度近500米的天幕系统中采用了前所未有地106声道环绕效果音效系统，系统庞大超乎想象。在如此规模的系统中有很多的供电设备及弱电设备，需要对其进行精细的瞬态过电压防护。（2）此项目使用普通并联型电涌保护器安装之后运行，部分出现过部分SPD损坏现象，经过考察、测试，发现LED灯带运行过程中会产生很多谐波电流，对SPD造成影响，在没有雷电流经过时也会启动SPD，从而使寿命缩短。

该项目问题的解决方案：

（1）对整体强电配电及弱电控制系统防雷产品进行严格优化的选型配置。（2）针对选型产品做出整体方案并出具图纸。（3）与项目设计院及施工方进行图纸确认和安装沟通。（4）根据现场情况分析，在给LED灯带供电的开关电源侧，改用串联式电涌保护器（即在SPD压敏电阻前并联一LC低通滤波器），这样即可以起到良好的防雷效果，又可以消除部分谐波，更改之后，运行良好。经过对整体设计及布线综合考虑，结合实际项目情况配备相应的电涌保护器，并做好良好的接地，项目验收通过。

结论：综上所述，谐波电流的安全问题是电力系统运行时应高度重视的问题，其不仅仅会增加电网的负荷，也会降低防雷安全隐患。相关技术人员应高度重视谐波电流对防雷安全的影响，通过低谐波负载、安装谐波滤波器，做好设备绝缘保护等措施，保障防雷系统运行的安全性。

参考文献：

[1]卢润戈,徐涛,周卓蓓.基于电流谐波特征的矿用电缆劣化监测与故障诊断[J].工矿自动化,2023,49(10):35-42.

[2]马俊.基于快速DFT及RLS自适应滤波器的谐波电流提取[J].船电技术,2023,43(10):9-12.