浅谈电网谐波危害与消除措施

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[摘 要]随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。供电系统中谐波干扰增

大，造成电网电压、电流波形严重畸变，成为影响供电质量的新的突出问题，并严重危及电力系统及用电设备的安全经济运行。本文对电网谐波危害和抑制消除措施进行分析归纳。

[关键词]电网；谐波；危害；消除

中图分类号：TM711v 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0339-01

一、谐波的来源

电网中谐波主要源于用户的电源系统和非线性负荷两方面。

1、电源系统的影响方面。

（1）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。

（2）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。

（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。

2、非线性负荷方面

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。

二、谐波的危害

谐波对电网的污染主要表现在以下方面：

1、使旋转电机、变压器等电气设备由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。并联电容器的容抗随谐波次数增大而减小，因而使电容器过电流发热导致绝缘击穿的故障增多。

2、谐波电压每半周可能有多个过零点，产生过零噪扰，使相位控制设备的正常工作因控制信号紊乱而受到干扰，如电子计算机误动作、电子设备误触发、电子元件测试无法进行、晶体管整流型距离保护、变压器及母线复合电压保护误动或拒动等。

3、使变压器产生磁致伸缩和噪声，电抗器产生振动和噪声，感应电动机引起固定数的振动力矩和转速的周期变动。

4、谐波还会在电网中产生局部的串联与并联谐振，从而使谐波放大，加剧各种危害，甚至造成事故。

5、使通信回路、弱电回路产生杂音，甚至造成故障。

6、谐波电流的集肤效应导致额外的损耗和局部发热，7 次以上谐波，集肤效应就很明显，使电气设备和电线电缆等要降容使用。

7、3N 次谐波电流在中性线中叠加，再加上不平衡电流流过，中性线电流有可能超过相线电流，引起中性线过负荷。对商业大厦案例的研究表明， 中性线电流经常在相线电流的150%到 210%。同时，谐波在中性线上产生电压降，使中性线出现零点漂移，对于比较敏感的计算机和大型精密电子仪器产生电压干扰，出现死机、无故重启，甚至造成损坏。

三、谐波的治理

无论从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围内，已迫在眉睫。我国谐波治理水平还较低，限制谐波的主要措施有以下几个方面。

1、对大功率静止整流器采取下列措施：

（1）提高整流变压器二次侧的相数和增加整流器的整流脉冲数。理论上，若整流输出的波头数为 p，则进入电网的谐波电流次数 n=kp±1，k 为任意正整数。谐波电流大小与谐波次数 n 成反比。因此 p 越大，谐波含量越小。GB/T 14549-1993 规定：小功率电力电子装置用低压供电，一般多采用 6 脉冲整流，容量特别小的可用单相整流。中等容量的电力电子装置（容量在 1500kVA 以下，10kV 供电）一般采用 12 脉冲整流。大容量电力电子装置可采用 24 脉冲整流。

（2）多台相数相同的整流装置，使整流变压器的二次侧有适当的相角差。例如有两台 Y/D-Y 整流变压器，若将其中一台加移相线圈，使两台变压器有 15°相角差，两者的叠加效应可使两台12脉冲整流器变为24 脉冲整流器，大大减少注入电力系统的谐波。

2、各类大功率非线性用电设备由短路容量较大或高一级电压的电网供电电网短路容量大时，可以减小谐波电流引起的电网电压畸变，进而减小对其它用电设备的影响。

3、采用 Y，D 或 D，y 连接组别变压器消除3的整数倍次谐波。如采用 D，yn11连接组别的三相配电变压器，3N次谐波电流在三角形D绕组中循环，被有效吸收，对电网无影响。

4、改变谐波源的配置和工作方式，具有谐波互补性的设备应集中布置，否则应分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式。改善三相不平衡度，可减少3次谐波。

5、采用专线或专用变压器供电。适合于对谐波敏感的电子设备，如大型计算机、核磁共振、CT机、X光机等。

6、采用无源滤波器、有源滤波器等新型抑制谐波措施。

（1）无源滤波器。无源滤波器只适用于设计的谐波频率。通常并联在母线上。当谐波含量稳定时，采用无源滤波器是经济合理的，多用以消除 5、7、11、13 次谐波，对13 次以上的谐波，通常设置高通滤波器，它对高次谐波具有较宽的通频带。

（2）有源滤波器。有源滤波器是根据电流互感器测量负载电流的谐波含量，控制电流发生器生成一个精确的负荷谐波电流，在下个周波回馈到电源，从而降低谐波电流的幅值。并且由于在谐波频率时的电源阻抗降低，使电压畸变也降低。对谐波含量变化幅度大而且变化频繁的大容量冲击性负荷尤为适合，技术复杂，造价高。

7、无功补偿装置兼做滤波器。当无功补偿电力电容器与系统电抗对n次谐波发生并联谐振时，回路总阻抗为无穷大，电容器将因谐振过电压而烧毁， 为此电力电容器通常采用串联电抗器增加回路的高频阻抗，使回路远离谐波的谐振点，从而抑制高次谐波。当电容器和电抗器串联回路对n次谐波发生串联谐振时，回路总阻抗为零，即

其中：XL―― ―电抗器基波感抗 XC―― ―电容器基波容抗一般电网中以 5 次谐波电流为大，如要滤除5次谐波，便应该满足XL= XC/25=4% XC，即选 4%电抗器。因此将电容器组的某些支路改用相应的串联电抗器，可构成对应的无源滤波器。通常串联电抗器感抗为电容器容抗的 6%左右， 因为 6%串联电抗器可限制电容器的合闸涌流在5倍以下。TCR、TCT、SR 型动态无功补偿装置，其容性部分可按需要设计成滤波器。4.8采用串联电抗器。在用户进线处加串联电抗器，以增大和系统的电气距离，可减小谐波对地区电网的影响。4.9 在谐波含量大的三相四线系统内，谐波电流大量流经中性线，使得中性线截面不得不取为正常相线截面的1倍、1.5倍，一直到2倍。谐波电流在中性线引起的压降也很大，使中性线上的电压有可能大于安全电压 50V，在维修时对人身安全有害，此时需采用4极开关，在切断电源的同时切断中性线。

结束语

随着我国经济建设的迅猛发展，城市化进程不断加快，城市中各种各样的电器不断增多，自动化程度也在不断提高。城市电网中因使用电器产生的谐波污染日益严重，对整个电力系统的正常运行产生了严重威胁，因此，研究谐波及其危害，采取相应措施进行治理消除，显得尤为重要。

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