电力系统谐波影响及治理

1.谐波

众所周知，理想的电力系统向用户提供的是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。非正弦波可用傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率为基波整数倍分量的含有量称为谐波。

2.谐波来源

2.1发电源质量不高产生谐波

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,发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波，发出的电多少也会产生一些谐波，但一般来说很少，比国家标准低很多，不是影响电力系统电网波形方面的主要矛盾。

2.2输配电系统产生谐波

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。

2.3非线性用电设备产生谐波

影响电力系统电网波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，非线性用电设备主要有晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉和电石炉、气体放电类电光源、家用电器等。

3.谐波危害

3.1谐波对电力系统危害概述

谐波对电力系统危害最主要就是谐振。电力系统电网主要是按基波设计的。由于L C元件的存在，虽然在基波时不会发生谐振，但在某个特定谐波时却可能引起谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍。

3.2谐波对电力系统电气设备的危害

3.2.1变压器

谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基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。必须注意的是：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，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

3.2.2电力电缆

在导体中非正弦波电流产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，则非正弦波有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致交流电阻（RAC）损耗增加。

3.2.3电动机与发电机

谐波电流和电压对感应及同步电机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起的额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像5次和7次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生6次谐波频率的机械振荡。

3.2.4电力电子设备

电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。

3.2.5开关

谐波电流也会引起开关的额外损失，低压断路器的脱扣
装置，是根据电流峰值来动作，而此种型式的脱扣装置会因
馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。

4.治理谐波方法

治理谐波对电力系统电网的影响其实质主要就是限制谐波注入电网的谐波电流及其在电网中产生的谐波电压，将电力系统电网谐波电压总谐波畸变率 (%)控制在G B/T14549-93《电能质量公用电网谐波》规定的范围内。

4.1G B/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中规定见表

对220kV电网及其供电的电力用户，可参照110kV执行。

4.2有源滤波器(APF)治理谐波

主要是用电力电子元件产生一个和系统谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流，用以抵消网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。

4.3无源滤波器(PPF)治理谐波

主要是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，L C回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3种谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源电力滤波器(PPF)方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。