浅谈谐波的分析及抑制

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摘 要：由于非线性元件的存在，电力电网中产生大量的高次谐波，严重影响着电网质量和用电安全。为了提高电网质量必须对电网进行谐波治理。本文主要分析了电网中谐波产生的原因和当今几种抑制谐波的方法。

关键词：谐波 补偿 滤波

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0063-01

在现实生产生活中，往往对电网质量要求比较高的企业往往相对科技含量较高，创造的社会产值比较大，电网中高次谐波的存在，极大地影响了这些电力用户的正常运作，严重阻碍了企业的发展和社会财富的积累。因此，电力系统的谐波治理是十分必要的。谐波治理在当今社会生产中也越来越受重视，越来越多的企业在谐波治理方面投入更多的资金和精力。

1 电力系统高次谐波产生的原因和危害

1.1 谐波产生的原因

谐波的产生是因为电网中大量非线性元件的存在，例如各种电动机，整流装置，逆变器和各种感应炉等，这些非线性元器件在工作时会引起电源电压和电流畸变，产生大量的高次谐波分量的电压和电流。其中，50 Hz为基波分量，100 Hz为二次谐波分量，150 Hz为三次谐波分量，以此类推。同时，不同的非线性原件在电网中产生的主要谐波的分量不同，并且不同的高次谐波分量在电网中所表现出来的特性也各不相同。此外，谐波电压和电流中所占比例较大的往往是次数较低的谐波分量。

1.2 高次谐波的危害

高次谐波对电网危害巨大。主要表现为，一方面影响产生谐波设备自身的正常运作。例如电动机、变压器和发电机在运行中产生高次谐波谐波，过高的谐波电压有可能击穿绕组绝缘层；同时铁损和铜损也会因为高次谐波电流的存在而增加，从而导致设备正常运行时温度升高，降低设备的输出功率，甚至导致设备的使用寿命大大缩短。另外，高次谐波会导致电机噪声增大，影响工作人员的正常生产，从而对产品质量造成影响。另一方面，高次谐波的存在会导致电网电压波动异常，直接威胁用电设备的正常工作，甚至直接造成设备的损坏。例如，高次谐波会导致电网中并联电容器的击穿，烧毁串联在电路中的电抗器，还会导致整流逆变装置的换向失败，直接造成装置损毁，另外自动化系统电源中的谐波分量可能会对整个控制系统造成干扰，直接影响整个系统的可靠运行。可见，谐波对整个电力系统和工业生产的危害非常严重，必须采取有力的措施加以控制和消除，以保证用户的用电安全。

2 高次谐波的抑制方法

解决电网中的谐波污染应当从两个方向下手。首先，从谐波产生的源头入手，尽可能的减少设备产生的谐波分量；其次，对已经产生的谐波分量，要采用滤波补偿吸收装置，减少消除谐波影响，避免高次谐波在电网中的扩散。

作为电力系统中主要发电设备的同步发电机，由于铁心饱和，在正常工作中会产生大量的高次谐波，为了减小高次谐波分量，往往利用计算机帮助设计发电机，以达到改善电机转子的主磁极磁场分布的目的。另外改善电机定转子齿槽的形状，同时电机定子绕组采取短距线圈，分数槽，分布式的措施减少高次谐波。另外，为防止三次及其整数倍谐波进入电网并且避免三次谐波环流在绕组中出现而使损耗增加，同步发电机的定子线圈绕组可以采用Y接不接地的方法。

变压器中高次谐波的产生主要是由于铁心的饱和造成的，主要分量为三次谐波。Yy型接法的变压器，可能会应为谐波过大而使绝缘层击穿，因此在使用时通常在变压器铁心上增加角接的附加线圈绕组。目前为了限制谐波，电力系统中使用了大量的Dyn11型变压器，因为，高压侧如果是Y形结构，三次谐波必然会在设备和中性线里通过，从而影响设备的正常工作；高压侧使用角接后，三次谐波会从角形绕组中流通，谐波不通过设备。

在生产中，大型的可控硅整流装置和逆变装置，大型的中频高频炼钢设备在运行过程中都会产生大量的高次谐波。为了减少谐波的产生，往往采用增加整流相数的方式。比如将整流相数从六相整流变为为十二项或者二十四相整流，会使设备产生的高次谐波分量大大减少。另外，为了减小大的谐波产生设备对系统中其他设备的影响，也可以对其采用专门单独供电的方法。

电网谐波的抑制方式主要采用三类，无源滤波，有源滤波和混合滤波。由于滤波设备直接并联在电网上，设计方案时要考虑谐波源和滤波装置之间的相互影响，科学合理的滤波方案可以使谐波分量大大减少，但是如果设计不合理有可能使谐波的抑制效果大打折扣，甚至形成谐波共振，使谐波量没有减小的同时反而大大增加了。

2.1 无源滤波

传统的无功补偿和谐波抑制主要应用LC滤波器，即在整流桥的输入端并联一个串接的LC滤波装置，滤波装置的谐振频率和电路的主要谐波分量频率相同。同时为了防止由于高次谐波电压的存在，而使过大的谐波电流在滤波装置中产生，往往在输入端串接电抗器。无源滤波装置目前应用比较广泛，由于起步比较早，技术应用相对成熟，使用成本也比较低。但是同时也存在缺陷。

（1）当设计方案确定以后，元件参数即被固定，导致其只能对某个频率的波段的高次谐波有抑制作用，当电感电容参数产生漂移后，滤波特性也随之改变，导致滤波性能变得不稳定。（2）电网参数对滤波特性影响巨大，由于电网的运行状况是不断改变的，其阻抗和高次谐波分量也是不断变化的，因此，此类滤波装置设计难度比较大而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，因而LC网络的设计较困难。（3）电网中其他谐波分量可能与滤波装置产生谐振，产生很大的谐波分量，导致电网质量下降。（4）电网中的个别谐波分量可能在滤波设备中引起比较大的谐波电流。

2.2 有源滤波

有源滤波往往在电网中接入有源滤波装置，装置依靠微计算机控制系统控制可控硅触发角，从而控制装置中电感电容的投切，使其产生与谐波分量相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波分量。有源滤波装置由于其跟随性好，适应能力强，滤波效果好，应用越来越广泛，逐渐成为谐波治理的主流。但是其要求的技术水平较高，设计难度大，投资也相对较大。

2.3 混合滤波

这种方式采用无源滤波和有源滤波相结合的方式，主要谐波分量由无源滤波装置抑制，其他谐波分量由有源滤波装置抑制，这种方案兼有无源滤波和有源滤波各自的优点，而且成本相对也较低，其应用也非常广泛。

3 结语

高次谐波对电网的影响巨大，谐波治理意义重大，消除谐波可以大大减少高次谐波对设备的损害，减少电网中高次谐波导致的能源和原材料的消耗，从而显著提高社会的经济效益。因此要不断地发展谐波治理方案，研发新技术，提高用户的用电质量。

参考文献

[1] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[2] 黄海.谐波的危害及抑制措施[J].特钢技术，2001，9（3）.