谐波的危害及其抑制措施

谐波的危害及其抑制措施中国联通苏州分公司柳振伟摘要：本文对谐波的概念及产生原理、谐波产生的问题作了较为详细的描述，并对目前解决谐波问题的措施作了分析。关键词：交频器；谐波危害；抑制谐波措施一、概述理想状态下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国工业用电频率以50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。因此，谐波是电力质量的重要指标之一。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基频率波的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。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I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7，11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。一个正弦波在5次谐波和7次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的24%和9%），如下图所示。图1基波和谐波图2失真波形谐波的危害表现为引起电气没备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热，使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏，从而降低继电保护、控制、以及检测装7thharmonic5thharmonicfundamentalharmonicsdistortedwavefundamental置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注，为保证供电系统中所有的电气，电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制和防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。二、谐波产生的原因在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。在发电环节，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。(1)开关模式电源(SMPS)大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不同，它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。(2)电子荧光灯镇流器电子荧光灯镇流器近年被大量采用。它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，其缺点是逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本昂贵。(3)直流调速传动装置直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，也被称作六脉冲桥式整流电路，因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直流电动机的电感是有限的，故在直流电流中有300Hz的脉动波(即为供电频率的6倍)，这就改变了供电电流的波形。(4)不间断电源(UPS)根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所用转换方式不同，UPS有许多不同的类型。主要的类型有在线的UPS、离线的UPS和线路交互作用的UPS。由UPS供电的负荷总是电子信息设备，它们是非线性的并且含有大量的低次谐波。三相六脉冲整流在理想情况下的图形如图3。图3理想状态下的三相六脉冲整流示意图利用傅立叶级数进行分解：图4利用傅立叶级数进行分解的三相六脉冲整流图(5)磁芯器件在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。如果电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大)那么磁场中会有高次谐波，这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很小)则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则含有高次谐波，则被认为是自由基波正弦波各次谐波磁化过程。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们只有电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前供电系统中提供的主要是谐波源。三、谐波的危害以前由于接入供电系统的非线性设备较小，帮在系统中引起的谐波电流也很小，所以对电力质量的影响不大。随着电子技术的发展，使用大功率半导体开关器件以及各类开关电源的产品，如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉，信息技术设备等迅速涌入居民家庭，虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大，但这些设备数量大、分布广。有些家用电器如电视机、空调器等在使用时具有集中的特点，在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面。1、增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。(1)对旋转电机的影响谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响昀为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%，因此谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。(2)对变压器的影响对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相比较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。需要注意的是这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(KWH)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。(3)对输电线路的影响由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。(4)对电力电容器的影响电容器与其它设备相较有很大区别，电容器组之容抗随频率升高而降低，因此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，这将导致电容器组温升提高并增加绝缘材料的介质应力。频繁地切换非线性电磁组件如变压器会产生谐波电流，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。在电力系统中使用电容器组时，因其容性特点在系统共振情况下可显著的改变系统阻抗，因此必需考虑系统产生谐振的可能性。此外系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。(5)谐波对油机的影响柴油发电机组的内阻相对市电来说要大很多，非线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变也会大很多，并造成油机输出电压失真严重，此外还会造成：1．控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断，认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机；2．输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁。下表为不同非线性负载对柴油发电机组（200KVA）输出电压畸变度的影响。发电机组允许带负载的百分比发电机组允许的电压畸变度12脉冲整流UPS6脉冲整流UPS单相整流UPS5%78%41%22%10%100%69%36%15%100%96%52%(6)对电缆的影响在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应所引起的，而这种现象取决于频率及导体的尺寸。这种效应如同增加导体交流电阻，进而导致损耗增加。式中Rh－h次谐波频率下的线路电阻，Rh随频率升高而增加，例如直径为0.76cm的圆形导体，其基波及5、7、11次谐波的交流电阻分别为直流电阻的1.01，1.21，1.35倍及1.65倍。导线的直径愈大，因集肤效应而使谐波频率下的电阻增加愈明显，谐波产生的附加损耗也越大。例：基波电流300A,含有100A谐波电流的导线，其损耗可计算得：电阻取0.5欧一年耗费电费(7)谐波电流产生的电磁干扰谐波的存在，会使控制设备损坏或出现误动作的几率大大增加，电力电子设备也会对供电电压的谐波畸变很敏感，如可编程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(VTHD)