谐波对低压电力系统的影响

作者：姜晓东 林必宝

来源：《硅谷》2011年第07期

        摘要： 通过对电力系统中谐波产生原因的说明，描述谐波在低压配电系统中的影响。

        关键词： 谐波；谐波源；谐波的影响及危害

        中图分类号：TM712文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0410015－02

        1 概述

        电力系统中，正常的电压和电流波形应该是工频（50Hz或60Hz）下的正弦波。然而实际的波形总是不同程度的偏离正弦波形。早在交流电出现初期，人们就开始研究，使其偏离值在可接受的限度之内，而所有用电负荷的额定值均是按此进行考虑的。在这种条件下，交流电源和用电负荷之间达到了某种平衡，因此过去的电能质量只要求频率的偏移的允许误差和电压的波动误差。但是随着国民经济的发展，近几十年来，各种换流器、电气机车、电弧炉的大量使用，家用电子电器的广泛普及等，这些非线性负荷使电网电流严重畸变，这种严重畸变的电流在电网中流动（以电网为负载）时，由于电网存在内阻抗，从而产生谐波压降，然后叠加在电网原有的电压上，形成电网电压畸变。这种畸变的电网电压对系统内各种电力设备和通信线路带来损害，影响国民经济各部门乃至每个家庭。因此谐波已经成为电力系统的公害。

        从另一方面讲，非正弦电流又是各种非线性负荷能正常工作所必需的。如变压器要产生正弦电压，要求其激磁电流为尖顶波，整流电源要得到直流电压，其电流为尖脉冲等。因此可以说电力系统中，一切非线性负载的存在和正常工作，将要求电网提供非正弦电流，如同电力系统中，一切感性负载的存在和正常工作，要求电网提供滞后的无功电流的道理是相同的。

        对于谐波有两种分析方法，即时域法和频域法。对于时域法有in=i-i1=f（t）或in=i-I1mcosφsinω1t=f（t），在国标GB/T14549中谐波电压是按时域考虑的，对应此方法的滤波器为有源滤波器，其优点是不需分析各次谐波值，对于存在各种非特征次谐波的系统能很有效的进行谐波滤除，且跟踪响应时间快，但成本较高，受电力电子器件的，容量还不能做的很大。对于频域法，是利用数学工具富氏级数将周期性的畸变波分解成直流分量，基波分量和谐波分量，其优点是：

        1）在线性网络中，每一次谐波可以认为是的，可以简化问题的讨论；

        2）与现代仪器进行精确测量协调一致；

        3）方便提出对各次谐波的。

        2 谐波源

        电力系统的高次谐波源可分为电压源型和电流源型。对于各种换流设备、电气化铁道、电弧炉、电子节能设备，家用电器等非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流，而且其谐波成分基本上只与其固有非线性特性和工况有关，而与这些负载外部阻抗的大小无关，因此非线性负载均可认为是谐波电流源。发电机由于结构上不可能完全对称，空气隙的磁导不可能完全均匀等因素，在其正常运行时总会产生一些谐波分量，该谐波电势只决定于发电机本身的结构和工况，因此可认为是谐波电压源。另外在用户接入公用电的连接处，即公共连接点（PCC），因其它非线性负载的接入而造成的电网电压畸变，也可以看作是谐波电压源。对于滤波装置而言，谐波电压可看作是背景谐波。

        按谐波的持续时间不同又可分为稳态性谐波源，动态性谐波源，暂态性谐波源。

        1）稳态性谐波源产生缓慢变化的谐波，如电解，电镀，卷扬机，中频，高频加热等。

        2）动态性谐波源（又称波动性谐波源），它产生时大时小，较快变化的谐波，其负荷是冲击性的。如牵引用的电力机车，电弧炉，大型轧钢机等。

        3）暂态性谐波源，这类谐波源在正常运行时不产生谐波，但在合闸过程中会产生谐波。它实际上是一种过渡过程。如在电网中投变压器和电容器。

        2.1 电力变压器

        电力变压器的铁芯具有非线性磁化特性，并且受磁滞曲线的影响。当一次侧施加正弦波电压时，其激磁电流（空载电流）为非正弦电流。

        2.2 电力电子装置

        由电力电子装置组成的各种换流器是电力系统中数量最大的非线性负荷，即谐波电流源。类型包括：可控或不可控的整流器（交流→直流），逆变器（直流→交流），交-直-交变频和交-交变频及三相交流调压等。

        2.3 电力机车

        电力机车由牵引网取得电源，牵引网是由牵引变压器低压侧构成的供电网络。电力机车采用单相整流桥供电，其脉动数只有2，特征谐波包括全部奇次谐波。

        2.4 交流电弧炉

        交流电弧炉一般采用三相通过专用的电炉变压器供电，变压器高压侧是6kV，10kV或35kV，低压侧为数百伏。电弧炉最严重的影响不是谐波问题，而是由不稳定的冲击电流引起电压波动和闪变，在熔化初期，主要是2，3，4，5，6，7次谐波电流。在精练期谐波电流含有率不大，一般单次谐波电流含有率不会大于3%。

        2.5 家用电器及办公用具

        随着技术进步，生活水平及办公效率的提高，家用电器和办公用具中的非线性用电设备的数量和比重都迅速增大。虽然这些设备容量不大，但数量较多，其整体产生的谐波影响不能忽视。这些非线性设备包括电视机、节能灯、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉、计算机、打印机、充电器等。

        3 谐波的影响与危害

        谐波的影响与危害是通过改变电抗值（扩大感抗，减少容抗），增加集肤效应和附加转矩等方式产生，还可通过磁感应和电容耦合方式产生。谐波影响的大多数如设备寿命和线损的影响，是一个逐渐积累其效应的慢过程，其严重后果一般在一定时期后才暴露，不能使受害单位及早发现问题；或明知有问题，仍掉以轻心，直至严重的后果发生。

        而有些谐波影响如对继电保护装置，通信设施等影响是能立刻出现的，故这些部门对谐波影响就比较重视，并采取了可能的措施。以下，我们着重说明谐波对电能计量及无功电容补偿的影响及危害。

        3.1 谐波对电能计量的影响

        1）谐波功率

        谐波电流在电网中流动时，与同频率的谐波电压产生谐波功率，三相谐波功率可表示为：

        源向外送出的谐波功率为正，则吸收为负。谐波功率由各种各样的谐波源产生，但对任一谐波源来说，并不是都送出所有的各次谐波功率，而是送出了几个主要特征频率上的谐波功率，而在其它频率上，也可以从其它谐波源吸收谐波功率，但总的效果上看， 是正值，即谐波源送出了谐波功率。

        前已说明非线性负荷的谐波源都是谐波电流源，当它们接入基波正弦电源上时，就要向电源系统强制反馈谐波电流，因此当它们从电源系统接受基波功率时，基波功率并不完全被它们所消耗，有一部分转化为谐波功率，而强制反馈到电源系统中去。谐波功率除了对供热用的普通电炉外，无任何效益处，而是以发热形式在各种发、送、变、配和用电设备中削耗掉，所以谐波功率实质上就是因谐波而产生的损耗谐波线损。且不论谐波对各种电器设备正常工作造成的危害，仅谐波线损就会造成很大的经济损失，降低了电能的使用效率。

        2）谐波潮流

        基波功率有基波潮流，同样谐波功率有谐波潮流。

        基波功率潮流的始端是发电机，末端是各种用电设备，用电设备的功率占基波功率潮流主要部分，而传输基波功率的中间部分也消耗一小部分基波功率，俗称线损，仅在10%以下。

        与基波功率潮流不同，谐波功率潮流的始端是非线性负荷，末端是其它用电设备和发电机。而谐波功率潮流的末端消耗只占基波功率的一小部分，大部分消耗在中间环节上，并且这两部分都是无用的消耗，即谐波线损。

        基波和谐波功率潮流可用图1简化网络表示：

        图1简化网络的基波功率潮流和谐波功率潮流

        3）谐波对电能计量的影响

        为便于研究谐波对电能计量的影响，可参阅图1。图中有一个基波功率源（发电机）和两个用电设备。其中一个用电设备为非线性负荷，另一个为线性负荷。线性负荷安装电能表PJ1，非线性负荷安装电能表PJ2。

        线性负荷和非线性负荷从功率源吸收的基波功率分别为P1M和P1R在网络中发生的基波损耗（线损）分别为ΔP1M和ΔP1R，它们均是由基波功率源——发电机提供的P1G来满足。即：

        P1G=P1M+ΔP1M+P1R+ΔP1R

        其中P1R并没有全部用于生产过程，有一部分通过谐波电流转化为谐波功率向系统反馈。其谐波功率平衡可用下式表示：

        PhR=PhGM+ΔPhGM

        =PhG+ΔPhG+PhM+ΔPhM+ΔPhGM

        两个电能表通过的基波量和谐波量为：

        PJ1为：PIR-PhR

        PJ2为：PIM+PhM

        电能表的转速为：

        PJ1：KIRPIR-KhRPhR

        PJ2为：KIMPIM+KhMPhM

        显然对于PJ1电流表，转速比没有谐波时要慢，并且少计量了电能，使供电部门受到了损失。对于PJ2电能表，转速比没有谐波时要快，多计量了电能，用户要多交电费。

        3.2 谐波对电容器补偿装置的影响

        电力系统中，由于系统稳定要求和负载补偿需要，使用着各种无功补偿装置，无功补偿除一部分仍采用调相机，用量最大的是并联电容器。并联电容器对高次谐波特别敏感。谐波电流的存在会使电容器运行电流有效值加大，介质损耗加大，造成温度增高，因过热缩短电容器使用寿命甚至损坏。谐波电压叠加于基波电压之上作用于电容器。可使其在运行中产生的局部放电不能熄灭，造成电容器的损坏。

        最值得关注的问题是并联电容器安装于系统会造成谐波放大现象。分析如下：

        对于具有谐波电流源的电网，电容器并接入电网后可用图2等值电路图。

        图2有并联电容器的电网等值电路

        由于Xsh和Xch因谐波次数变化而变化，可能出现Ish>Ih，也可能出现Ich>Ih，一般Ich>Ih出现在较高次谐波条件下，而Ish>Ih出现在较低次谐波条件下。在并联谐波条件下，Ish>Ih， Ich>Ih，出现谐波放大最严重的情况。

        而且随Xc的增大（即C的减小）所有特征频率是均向右移动，使谐波电流放大区域向较高频率区移动，这对滤波装置的运行是很不利的，因此，随着使用时间的增加，电容器电容量会减小。

        从一九八四年起我国就已把谐波水平作为电能质量的一个重要指标。目前执行的国家标准是GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》，为我国各行各业用电设备抑制谐波的产生起到了良好的法律保证。同时国内外有很多知名公司及科研院所对谐波的抑制提供了不同的解决方案，使电网质量得到了保证。

        参考文献：

        [1]曾纪添，电力系统无功补偿及电压稳定性研究综述[J].南方电网技术，2008年，01期.

        [2]黄炳华，用基波平衡原理分析非线性电子网络的稳定性[J].固体电子学研究与进展，2006年，01期.

        [3]胡俊达，电力系统中谐波的产生、危害和抑制[J].湖北电力，2003，第05期.