电力网谐波分析及其污染治理
【摘 要】随着科学技术的发展，各种新型用电设备特别是变频设备已普遍应用于生产生活领域，但是与此类设备共生的高次谐波的影响和污染也越来越重，其轻则影响系统的运行效率，重则危害电力系统的安全运行。因此，研究和分析谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施具有重要的实际意义。
【关键词】谐波；危害；污染源；措施
【Abstract】With the development of science and technology, all kinds of new electrical equipment especially the frequency conversion equipment has been widely used in production and living areas, but with such equipment symbiotic harmonic influence and pollution is more and more heavy, its light affect the operation efficiency of the system, serious harm the safe operation of power system, therefore the research and the analysis of harmonic generation the reason, harm and suppression of harmonics measure has important practical significance.
【Key words】Harmonic；Harm；Sources of pollution；Measure ０ 引言
随着电力电子技术向高频化发展，我们已经进入变频时代。然而在发、输、配、供、用电的整个过程中及所有含整流变频器的用电设备，均向电网注入大量的高次谐波电流，引起谐波损耗和干扰，降低总功率因数和电能质量，这已成为日趋严重的“电力公害”和电网主要的污染源。
1 什么是谐波
通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。如图1所示。
图1 谐波示意图 2 谐波的产生
在供配电系统中的高次谐波主要产生于非线性负荷用电设备，如变流装置及电弧炉等；在低压电网的谐波污染，主要来源是功率电子设备，如焊接器、计算机等。以下列举一些典型负载引起的谐波畸变。配备平滑电容器的单相整流器电路布置如图２（a）所示，可在单相负载中应用。从电源取用的电流值会在一周期的某段时间突然上升或下降，电压与电流波形见图２（b）。
（ａ）单相整流器带平滑电容器电路图 （ｂ）交流电源电流电压波形图 图2
这种电流波形包含了很多奇次谐波，奇次谐波的幅值可能会高于基波电流分量。该电路布局的广泛应用，将导致过多的谐波电流流入供电系统。六脉波桥以三相功率为主的设备通常采用六脉波桥，例如驱动装置和UPS，六脉波桥的直流侧，可连接平滑电抗器、平滑电容器或以上两者。所用的开关可以是可控的（可控硅等）或不可控的（二极管），视所用设备确定。连接平滑电抗器的二极管桥的电路布局如图３（a），电流波形如图３（b）。
（a）六脉波桥带平滑电抗器 （b）交流电源电流波形图 图3
事实上，对于六脉波变流器而言，在理想条件下即： （a）电源为理想的正弦波、并三相对称； （b）直流侧电抗足够大，直流电流无纹波； （c）交流侧电抗为零。
（a）六脉波变流器电路图 （b）六脉波变流器电路图 图4
对于如图4（a）而言，交流电流波形可分解为一系列谐波电流分量 I■=■I■(sinwt-■-■+■+■-…)
对于如图4（b）而言，交流电流波形可分解为一系列谐波电流分量 I■=■I■(sinwt+■+■+■+■+…)
由上式可见，注入系统的谐波是kp±1次。 通常，一个连接着很大的平滑电抗器的六脉波桥，所产生的谐波电流值大约为
其中：In——n次谐波电流幅值；I1——基波电流幅值；N——谐波次数 3 谐波的危害
谐波可以造成电压畸变、中线导线过热、增大变压器和电动机的损耗等危害和不利影响，总的说来对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：
３．１ 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益。
３．２ 影响继电保护和自动装置的工作可靠性 特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。
３．３ 对通讯系统工作产生干扰
电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，影响通信线路通话的清晰度，甚至威胁通信设备和人员的安全。
３．４ 对用电设备的影响
电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。
此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的公害。
4 谐波污染源
电网谐波来源于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中发电机电源的谐波最少，用电设备产生的谐波最多。所有的非线性负荷都能产生谐波电流。5 谐波的治理
5.1 谐波源的定位和测量 谐波源定位，一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。其模型分析方法有三种，即非线性时域仿真、非线性和线性频率分析法。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。
5.2 针对谐波源进行治理 对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置。根据装置的原
理不同，可分为无源电力滤波器（PPF）和有源电力滤波器（APF）。无源电力滤波器利用电容、电感谐振的原理“吸收”阻止相应次谐波，从而保证电压畸变率处在较低水平。而有源电力滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器，它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后，再完整地复制出大小相等、方向相反的谐波，并接入电网，将谐波抵消，其产生的谐波随谐波源的变化而变化，是一种能够动态抑制谐波的有效手段，克服了传统LC滤波器的不足，600V以下的供电系统中，有较多的使用，但费用较高。但中压以上的供电系统，常采用无源滤波器，无源滤波器大致可分为以下六种，如图5所示。
（a）单调谐滤波器 （b）双调谐滤波器 （c）一阶高通滤波器 （d）二阶高通滤波器 （e）三阶高通滤波器 （f）“C”式高通滤波器 图5
谐波的技术措施：
1）整流变压器采用Y，d或 D，y接线。这两种接线方式都可以消除谐波中3的倍数次高次谐波。
2）增加整流器的脉冲次数。整流器的脉冲次数越多，整流后的电压和电流的波纹系数越小，高次谐波电压含有率越低。另外晶闸管的控制角越小，高次谐波含有率越小。现在应用较多的整流电路是6脉冲和12脉冲的。因后者产生的谐波电流次数是11、13、23、24…，所以应尽量采用12脉冲的变流器。
3）并联补偿电容器组加装串联电抗器。并联补偿电容器组对谐波电流有放大作用，在并联电容器回路串联一电抗器，可以减小电容器对谐波的放大倍数，起到谐波的目的。
5.3 实践中的检验
由于谐波干扰，我们当地有一家化工企业的无功补偿电容器难以正常使用，损坏率高。功率因数低于0.9，投入电容器时电容器容易烧毁，用电设备和变压器容易发热，消耗电能大。经对这一企业变压器0.4kV侧总出线上进行电压、电流测量发现5、7、11次谐波电流超过国家标准，电压、电流波形畸变严重，该厂补偿电容投入运行后对谐波电流起放大作用。为此我们设计了一套滤波补偿装置，经过反复测试，证明滤波补偿装置效果明显。
一是吸收整流设备产生的大部分高次谐波电流，使之符合国家标准，大大减少对电网污染。二是投入滤波补偿装置后，可以提高功率因数，提高供电设备利用率，增容降损。降低能耗，节约用电。从统计可知，投入滤波补偿装置后一年可节电近5万6kWh。实践证明使用滤波器能有效地抑制了流向电网的谐波电流，同时，滤波器中的电容器组可兼作基波电容补偿，有效的提高了系统功率因数，取得了较好的社会和经济效益。
6 结论
谐波问题直系电能质量。非线性负载会把其产生的谐波电流带入电源而引起供电电压畸变，使电力设备过热导致发、配电设备及用电设备效率降低，影响继电自动装置动作的准确性，电子通信设备亦将受到干扰。所以治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。
【参考文献】
［1］宋文南,刘宝仁．电力系统谐波分析[M]．北京:水利电力出版社,1995．
