电网中谐波的危害及治理分析

【关键词】电网谐波；治理措施

 

谐波治理是综合治理过程，是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-1993《电能质量一公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定，在主网、城网中，谐波治理有明确的规定和要求，而日益发展的农村电网对有关谐波的治理并未引起足够的重视，认识还有待提高。目前农网中的高压配电的许多用户，对谐波的危害也没有引起足够的重视，往往认为谐波治理是电力部门的事情，是一种单边行为，就此而言，作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传，强调谐波治理的重要性。在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案。这样做，不仅能够改善整个网络的电力品质，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染环境, 减少能耗，提高电能利用率。

 

电网中谐波主要来自于两方面：用户的非线性负荷和电源系统。

1.1来自非线性负荷

随着电力电子技术发展，供电系统中增加了大量非线性负载，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛应用。非线性用电设备已是产生谐波的主要原因。

1.2来自系统的影响

（1）系统中交流发电机内部定子和转子间的气隙，由于受到铁心齿、槽和工艺的影响，分布不均匀，虽然各相电势的波形对称，但三相电势中含有一定数量的奇次谐波；（2）电网中大量变压器的励 磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或过励磁时则更为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源；（3）电网中投切空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。

 

电网中产生的谐波达到一定的程度时，会对电网运行、电网中电气设备以及连接的负载都会产生危害，主要表现在以下几个方面：

2.1谐波对电网运行的危害

谐波对电网运行的危害主要有：（1）谐波可使电力系统发生电压谐振，从而在线路上产生谐振过电压，这就有可能使线路和设备的绝缘被击穿，造成短路事故；（2）谐波还可造成系统的继电保护和自动装置误动作，影响系统的正常运行；（3）谐波量大时能使系统中反应工频正弦量的多数监视、测量仪表出现误差；（4）谐波的存在不仅影响通讯系统通话的清晰度，严重时会产生谐振干扰整个通讯系统；（5）谐波还会影响功率因数补偿效果；（6）谐波严重时可使计算机系统失控。

2.2谐波对电网电气设备的危害

谐波对电网电气设备的危害主要有：（1）对发电机、电动机的影响：感应电动势中的高次谐波在同步电机气隙中磁性磁场沿电枢表而的分布一般呈平顶波形。利用傅里叶级数可将其分解为基波和一系列小波形。谐波次数V=l、3、5、7,高次谐波电动势的存在，使发电机的电动势波形变坏，而且发电机本身的杂散损耗变大，温升增同，串入电网的谐波电流还会干扰通信；（2）对变压器的影响：由于变压器中磁路常出现饱和状态，这时，励磁电流中会岀现三次谐波磁通，它通过油箱壁或其它构件时，将在这些构件中产生涡流 损耗，从而使变压器效率变低，缩短变压器的使用寿命；（3）对电力电容器的影响：谐波电压加在电容器两端时，电容器对谐波电流呈现较小的阻抗，且谐波次数越高，阻抗越小，因此电容器很容易发生过载甚至烧毁。

釆取一些措施来消除这些对各种电子设备和电网造成很大危害的谐波，下面简单介绍一下消除谐波的方法和措施。

3.1滤波

所谓的滤波就是，一个电信号中有若干种成分，把其中一部分交流信号过滤掉就叫滤波。一般将电力电网或电力设备中某些不需要的交流信号去掉，通常釆用滤波的手段。可以很好的消除谐波，尤其是高次谐波。滤波又可以分为有源滤波和无源滤波。就目前来说，无源滤波应用较多，效果较好，价格较低。包括三种形式：

（1）串联滤波。对3次谐波的治理效果明显。

（2）并联滤波。可以滤出多次谐波，并给系统提供无功补偿，是应用广泛的消除谐波，净化电源的装置。

（3）低通滤波（串并混合）。对高次谐波治理效果更佳。

而我们常用的就是并联电容器补偿，

主要有以下三种补偿方式：

（1）集中补偿方式。将高压电容器集中安装在总降压变电所或功率因数较低、负荷较大的配电所高压母线上。

（2）分散补偿。对用电负荷分散和功率因数较低的车间变电所，釆用低压并联电容器安装在低压配电室。

（3）就地补偿。对距供电点较远的大、中容量连续工作制的电动机（如风机、水泵、压缩机、球磨机等），应釆用电动机无功功率就地补偿装置。如下图所示。它不仅可以提高功率因数，而且可以减少线路损失，减小总电流，对提高变压器负载率有明显效果。

电动机无功功率就地补偿装置

为了减少和避免高次谐波对并联补偿装置的危害，釆用对高次谐波的治理措施为减少谐波电流流入电容器和合闸涌流，可串联适当的电抗器。其感抗值应在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗，从而消除谐振的可能。为了防止可能出现铁磁谐振，一般应采用无铁芯电抗器。

随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。

有源滤波器是一套使用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入，以消除谐波和提供无功电源的电力电子系统。通过适当的设计选型，有源滤波器能大量减少谐波，并将功率因数提高到接近1的水平。有源滤波器直接并联至线路中产生谐波的负荷。对于3相3线电力系统，电流传感器安装于其中的两相上，为逻辑控制电 路提供负荷的电流波形。有源滤波器逻辑电路会去除波形中的基频 （50和60赫兹）成分。逻辑电路将剩余的波形反向并调整IGBT的触发来复制这一反向波形。这样的处理得到的结果用于去除上游电 力系统谐波电流。由于谐波电压是谐波电流流过电源阻抗而产生的，因此它们也显著地减少。有源滤波补偿系统在很多重要场所应用效果非常好，可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中。

3.2接地

正确的接地既可以使系统有效地治理外来干扰，又能降低设备本身对外界的干扰。在实际应用系统中，由于系统电源零线（中线）、 地线（保护接地、系统接地）不分、控制系统屏蔽地（控制信号屏 蔽地和主电路导线屏蔽地）的混乱连接，大大降低了系统的稳定性和可靠性。变频器的接地与其它动力设备接地点分开，不能共地。

3.3屏蔽

屏蔽干扰源是治理干扰的有效的方法。通常变频器本身用铁壳屏蔽，不让其电磁干扰泄漏；输出线好用钢管屏蔽，特别是以外部信号控制变频器时，要求信号线尽可能短(一般为20m以内)， 且信号线釆用双芯屏蔽，并与主电路线(ac380v)及控制线(ac220v) 完全分离，决不能放于同一配管或线槽内，周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效，屏蔽罩可靠接地。

3.4采用多相脉冲整流

在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可釆用多相整流的方法。12相脉冲整流THDV大约为10%〜15%, 18相脉冲整流的THDV约为3%〜8%,满足国际标准的要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，价格较高。

3.5釆用电抗器

在变频器的输入电流中频率较低的谐波分量(5次谐波、7次谐 波、11次谐波、13次谐波等)所占的比重是很高的，它们除了可能 干扰其他设备的正常运行之外，还因为它们消耗了大量的无功功率， 决策模型的一个重要组成部分。增加模型的边界条件使线路的功率因数大为下降。在输入电路内串入电抗器是治理较低谐波电流的方法。

 

4.1安科瑞ANAPF系列有源电力滤波器介绍

有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。