谐波危害

电网谐波的危害供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。一、谐波定义电网谐波来自于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。其中用电设备产生的谐波最多。二、谐波的产生其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。二、谐波的产生在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波。1、晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。二、谐波的产生2、变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。3、电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。二、谐波的产生4、气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。5、家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。二、谐波的产生电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：三、谐波的危害1.对供配电线路的危害（1）影响线路的稳定运行——供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，它们容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。（2）影响电网的质量——电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。三、谐波的危害2.对电力设备的危害（1）对电力电容器的危害——当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。（2）对电力变压器的危害——谐波使变压器的铜耗增大，谐波还使变压器的铁耗增大。由于以上两方面的损耗增加，因此要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。（3）对电力电缆的危害——由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。三、谐波的危害3.对用电设备的危害（1）对电动机的危害——谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。（2）对低压开关设备的危害——全电磁型的断路器；热磁型的断路器；电子型的断路器，都可能因谐波产生误动作。（3）对弱电系统设备的干扰三、谐波的危害4.谐波对人体有影响——从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性－特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。三、谐波的危害（1）从工作方式和误差特性分析可知，电磁感应式电能表是以基波为参比条件进行设计制造，只能在基波情况下准确地记录负载消耗的有功电能；在谐波存在时，由于不能实现将多个不同频率的正弦电压和电流产生的机械转矩相叠加，因此不能准确记录负载消耗的谐波有功能量。（2）对于全电子式电能表，在数值计算时由于电子电能表的CPU能够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算，因此有效地记录了负载的瞬时功率、亦即记录瞬间消耗的所有有功能量。从原理上证实全电子式电能表实现记录负载消耗基波和谐波总平均功率及电能量是可行的。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性（3）当电网存在高次谐波时，对电能计量的准确性有影响，谐波含量愈高电能计量误差愈大；当谐波含量满足国标规定时，误差影响微小，当谐波含量超过国标规定时，无论是电磁感应式电能表还是全电子式电能表，误差影响均较大。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性（4）在电网中，无论谐波流向如何，负载本身不产生电能量。当谐波从负载流向电网时实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。全电子式电能表将负载（谐波源）消耗的基波有功电能和谐波源（负载）向电网返送的谐波有功电能（被污染的电能）进行了代数相加，使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小，这是全电子式电能表计量原理上的不足之处。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性（5）在谐波超过国标规定时，对同一计量点，采用相同准确级别的全电子式电能表和电磁感应式电能表计量电能量是有较大差别的；当谐波源是电网时，前者数值较大；当谐波源是用户时，则情况相反，均属正常现象。（6）对大功率变流设备、电弧炉，特别是电铁牵引等产生高次谐波的电力负载，为了只记录负荷消耗的基波有功电能，用电磁感应式电能表比用同准确级别的全电子式电能表更合理。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性（7）对于谐波超标的电网和电力用户，为了合理计量用户消耗的有功电能，宜采用谐波电能表，或者要求用户进行谐波治理，符合国标GT／14549－93的要求后，采用全电子式电能表计量。三、谐波的危害5.影响电力测量的准确性为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境。我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值（见表1及表2）。四、谐波限值公用电网谐波电压（相电压）极限值电网标称电压kV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率奇次偶次0.385.04.02.06（10）4.03.21.635（66）3.02.41.21102.01.60.8四、谐波限值(1)必须建立谐波监督管理体系，明确职责，认真开展谐波的测试、研究、分析以及技术培训。认真分析产生谐波的原因，积极开展事故预想，制定切实可行的反事故措施，对发生的谐波事故及异常的原因查不清不放过，防范措施不落实不放过。五、谐波监督管理为了减少谐波的不良影响，电业部门必须把谐波管理纳入日常的生产管理中，建章立制，采取技术措施，强化谐波监督管理。(2)认真做好业扩、报装接电及现有非线性负荷谐波的设计、审查、统计工作，建立完善的技术资料档案。采取行政手段，强化谐波检测仪器、仪表的检验和认证工作，积极推广治理谐波的新技术，切实抓好超标客户的谐波管理。(3)整流设备是电网中主要的谐波源之一，通过改造换流装置，采取特殊的接线方式或将相数较少的换流变压器联结成等效的多相形式，增加换流器相数，或利用相互间有一定移相角的换流变压器，有效的消除较大的低次谐波。通过加大技术改造力度，既可节省大量资金，而且能够达到抑制或降低谐波分量的理想效果。五、谐波监督管理(4)由于电弧炉、电力机车、卷扬机、轧机等用电设备用电负荷不稳定变动频率较高，不仅产生较强的高次谐波，而且极易引起供电电压的波动和闪变。甚至造成系统三相严重的不平衡，严重的影响电网的供电质量。采取快速可变的电抗器或电容元件组合而成，形成动态无功补偿装置(或称静止无功补偿装置)与谐波源并联，不仅可有效的减少谐波量，而且具有抑制电压波动、闪变，增加系统阻尼，提高系统功率因数，保证电网供电质量。静补装置一次性投资较大，但是，经济和社会效益较好。五、谐波监督管理(5)交流滤波装置能够有效的吸收谐波源所产生的谐波电流，降低谐波电压，是抑制谐波污染的有效措施之一。由于其一般由电容器、电抗器、电阻器等根据一定技术要求组合而成，以其结构简单，运行可靠，维护方便，一次性投资较少而得到广泛应用。五、谐波监督管理(6)采取技术措施加强电容器管理，通过改变电容器的串联电抗器或将电容器组的某支路改为滤波器，限制电容器的投入量，可有效的防止或减少并联电容器对谐波的放大，从而保证电容器的安全运行。(7)通过采用高性能的用电设备，改善其谐波的保护性能，提高设备的抗谐波干扰能力，增加系统的承受谐波能力，减少谐波事故的发生。五、谐波监督管理