小议电网谐波的产生及抑制措施

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【摘 要】电网中谐波问题日益严重，对其进行有效的抑制，已成为电力系统安全运行工作的重要内容之一，文章主要对电网谐波的产生及抑制措施进行探讨。
　　【关键词】电网谐波；危害；抑制；检测
　　
　　 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，电能需求成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高。同时随着我国冶金、化学工业及铁路交通运输事业的发展，电力系统中的谐波问题也日趋严重。电网谐波使得电压、电流的波形发生了畸变，使电力系统的发、供、用电设备出现许多异常现象和故障，产生了严重的危害和影响。对其进行有效的抑制，已成为电力系统安全运行工作的重要内容之一。
　　 １．谐波的产生
　　所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，有数字频谱的特征。不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。谐波主要产生于两类元件①含半导体的非线性电气元件；②含电弧和铁磁非线性设备。由于这两类元件广泛存在于电力线路中，所以谐波来源于三个渠道:
　　1.1 发电机
　　由于三相绕组难做到绝对对称，铁芯也难做到绝对均匀，因此发电机会产生一些谐波。
　　1.2输配电产生谐波
　　主要是电力变压器会产生谐波，由于变压器设计上铁芯磁密选择接近饱和点，铁芯饱和程度越高，变压器偏离线性越远，谐波电流就越大，另外变压器三相绕组、三相铁芯也是难做完全一致，也会造成谐波电流，其中三次谐波电流可达到额定电流的0.5%。
　　另外并联电容器如选用抑制冲击电流电抗器的电抗率不当，会将谐波电流放大。
　　1.3 用电设备产生谐波
　　1.3.1 整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等方面得到广泛应用，给电网造成大量的谐波。晶闸管整流采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，留下的是另一部分缺角的正弦波，为此含有大量的谐波。统计表明整流装置产生的谐波，占所有谐波近40%，是最大的谐波源。
　　1.3.2变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备，由于采用相位控制，谐波成分复计 ，既有整数次谐波，还含有分数次谐波，这类装置一般功率很大，随着变频调速的发展，谐波危害会越来越大。
　　1.3.3 电弧炉、电石炉。由于三相电极很难同时接触高低不平的炉料，使燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流注入电网主要是21次谐波，平均可达基波8%-20%。
　　1.3.4 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等气体放电类电光源的伏安特性非线性十分严重，给电网造成奇次谐波电流。
　　1.3.5 家用电器。电视机、录象机、电脑、调光灯具、调温炊具等具有调压整流装置，会产生较深奇次谐波。洗衣机、电风扇、空调的设备中，因不平衡电流的变化能使波形改变。这些家用电器虽然功率小，但数量巨大，也是谐波的主要来源。
　　 2.谐波的危害
　　谐波的危害可以说无处不在，具体有以下几个方面:
　　2.1 对输电线路的危害
　　由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体发热，加速绝缘老化，缩短设备使用寿命，严重时破坏结缘造成短路，甚至引起火灾。另外，由于输电线路存在着分布的线路电感和对地电容及电压互感器无功电容等电感和电容的存在，可能会发生串联谐振或并联谐振，导致在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备（尤其是电压互感器）的绝缘击穿，造成恶性事故。
　　2.2 影响线路的稳定运行
　　为保证线路与设备的安全，保证线路的稳定运行，电力线路中使用了大量继电保护和自动装置及低压开关设备。但由于谐波的影响，这些按基波量设定的高灵敏度继电保护和自动装置可能会发生误动或拒动，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。对各种断路器也会因延长电弧熄灭时间，降低了开关开断容量，谐波电流使低压断路器的铁耗和铜耗增大而发热，造成脱扣困难或额定电流降低或脱扣电流降低等不正常现象，出现误动作或不动作。
　　此外谐波还影响电网的质量。谐波不但使电网的电压与电流波形发生畸变，而且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功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。
　　2.3 对电力设备的危害
　　电力设备主要包括电力电容器和电力变压器，谐波对它们的危害也很大。当含谐波的电压加在电容器两端时，因为谐波频率高，电容器对谐波阻抗很小，使电容器电流变大，导致电容器温度升高，损耗系数增大、附加损耗增加，容易发生故障，影响电容器的使用寿命，严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使电网的谐波加剧，产生谐波扩大现象，危害更大。同时，由于谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在还增加了铜损，也会对大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量,因此会减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声。
　　2.4 对用电设备的影响
　　在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波对电力用户电动机的影响最为明显。谐波能使电机产生附加的损耗和转矩，并能减少电动机的绝缘寿命。谐波产生的脉冲转矩，会导致出现电机转轴扭曲和机械振动的问题，发出很大的噪声。此外，谐波还对计算机网络、通信等弱电设备产生干扰；还影响电力测量的准确性和计量仪表的精确性，甚至导致计量设备无法工作；谐波对人体也有不良的影响。
　　 3.谐波抑制和检测
　　3.1提高谐波源负荷的供电电压
　　当本级电网容纳不下谐波源负荷的谐波电流，造成电网谐波超出标准允许值时，可考虑改由高一级电网供电，把谐波源负荷接入容量较大的电网，可以容纳较大的谐波电流。例如，一些用户的整流装置经数千米馈线(10kV)供电，且供电母线的短路容量较小，所以由整流装置产生的谐波干扰很大，常使用户附近的用电设备无法正常工作，此时采用高一级电压(35kV)的电网给谐波源负荷供电，就能避免这些问题。
　　3.2 避免并联电容器组对谐波的放大
　　并联电容器在一定条件下会产生谐波放大，所以应根据并联电容器并入电网点背景谐波含量测量值情况将并联电容器组的串联电抗器进行适当调整。例如，当仅需要限制合闸涌流时，宜选用电抗率为0.1％-1％的电抗器；为抑制5次及以 谐波电压放大时，宜选用电抗率为4.5％- ％的电抗器；为抑制3次及以上谐波电压放大时，宜选用电抗率为12％-13％的电抗器。
　　3.3 就地加装谐波补偿装置
　　3.3.1在谐波源处装设无源调谐滤波装置，吸收谐波电流，有效地减少谐波量。
　　3.3.2加装有源滤波装置，采用补偿原理，向电网注入与谐波电流相位相反、幅值相同的电流来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。
　　3.3.3加装静止无功补偿装置(SVC)，对系统、负荷无功功率进行快速动态补偿，改善功率因素，抑制不平衡电流产生，并滤除谐波源发出的谐波。
　　3.4装配有源滤波器
　　由变流器／逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。目前有源滤波器日益推广应用，它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一个纯粹的正弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP)技术来控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为设备与供电系统是并联工作的，它只控制谐波电流，基波电流并不流过滤波器。如果所需过滤的谐波电流比滤波器的容量大，它只是简单地起限制作用而使波形得到部分纠正。
           
       3.5改善供电系统及环境
　　对于供电系统来说,谐波的产生不可避免,但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。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。
　　3. 增加换流装置的相数或脉动数
　　因为整流相数越多，特征谐波次数越高，谐波含量越小。
　　3.1改变谐波源的配置或工作方式
　　具有谐波互补性的装置应集中（如奇次谐波源与偶次谐波源），否则应适当分散或交替使用，适当限制谐波量大的工作方式等，以减少谐波的影响。
　　3.8基于小波变换检测法
　　小波变换是近几年掀起热潮的一个国际前沿领域，它是在傅里叶变换的基础上发展起来的新的信号处理方法。从原则上讲，凡传统使用傅氏变换都可以用小波变换来代替。近年来一些文献将小波变换应用于电力系统电能质量分析、故障检测及继电保护等方面，表明小波变换在电力系统具有广阔的应用前景。它主要利用正交小波在L2(R)空间线性张成的标准正交小波基和小波函数时域局部性的特点，将谐波时变幅值投影到小波函数和尺度函数张成的子空间上，从而把时变幅值的估计问题转化为常系数估计，利用最小二乘法即可实现时变谐波的检测。同时递推最小二乘法的应用使该方法适用于谐波在线跟踪。这种方法只是在仿真上证明了它的有效性，但是在实际现场没有证明它的可行性。在这方面还需要进一步研究与探讨。
　　 4.结束语
　　谐波问题是复杂的，要面对现存谐波现状，又要针对谐波源负荷不断增加对电网安全运行、供电质量的严重威胁。要求我们有相关的政策，又有相关的健全制度，并通过建立电网谐波监督防范体系和规范化的管理，在完善谐波普测和在线监督管理的基础上，紧抓用户的业扩审查和滤波工程实测验收环节，并促进老用户的谐波治理，大胆引进谐波治理新技术新设备（如尝试采用谐波超限告警跳闸）等，一定可以把谐波控制在较微小的范围内，从而保证电网和电力设备的安全运行，杜绝因谐波造成的电力安全事故。
　　
　　【参考文献】
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雅宝电大奥鹏

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