摘要：供電可靠和電能質量直接影響到各行各業的經濟效益，諧波引起電網電壓畸變，惡化電能質量、影響設備運行，需引起注意和加強管理。
　　關鍵詞：諧波源種類；諧波危害；電網諧波的限制措施
　　0引言
　　電力是國家的基礎工業，供電可靠和電能質量直接影響到各行各業的經濟效益和產品質量。隨中國加入WTO后，外來投資設廠不斷增多，不僅電力需求不斷增大，同時要求電能質量相應提高，逐漸趨向國際標準。
　　因現代工業企業廣泛使用的電弧和接觸焊設備、礦熱爐、硅鐵爐、高頻爐等非線性電力負荷，以及電力電子技術如晶閘管整流和換流技術廣泛應用和家用電器（電視機、電冰箱、洗衣機、空調機、電子節能燈）等單相非線性電力負荷大量增加。這些非線性負荷產生非正弦電流，引起電網電壓畸變，“污染”電網，通稱為諧波源。電網諧波對各種電氣設備，對繼電保護、自動裝置、計算機、測量和計量儀器以及通信系統有不利的影響。由于諧波的作用引起的經濟損失主要是惡化了電能質量指標，降低了電網的可靠性，增加了電網損失，縮短了電氣設備的壽命，在有些情況下還使產品的質量降低，數量減少。在工業發達國家對此開展了大量研究和重視。我國在1993年頒布GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》。目前我國不少電網的諧波含量已大大超過了標準值，并出現不少問題。
　　本文從諧波源種類、諧波危害、諧波諧振放大及諧波抑制和管理進行論述。
　　1諧波源種類
　　一切非線性的設備和負荷都是諧波源。主要分三大類：
　　1、鐵磁飽和型：各種鐵芯設備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈非線性。空載電流i0為了供給鐵芯磁滯損失產生的激磁電流，造成其波形左右扭曲。該諧波源特點：1）、僅含奇次諧波，以3、5、7次為主。2）、諧波電流大小與鐵芯材料的磁飽和特性有關，磁通密度高，可以節省鐵芯原材料，但使諧波增大。3）、諧波電流大小與設計時選擇的工作點即工作磁通密度有關。4）、諧波電流大小與設備運行時的系統電壓有關。系統運行電壓越高，運行點越深入飽和區，波形畸變越大，諧波含量急劇上升。夜間系統負荷減少，電壓升高，其諧波則增大。5）、諧波電流大小與繞組連接及鐵芯結構有關。一般變壓器主要產生5、7次諧波，僅當繞組為Y0接線時，才存在零線使3及3倍次諧波電流流入系統。而三柱三相變壓器還因鐵芯三相磁路不平衡，中柱磁路比邊柱短，使三相繞組空載激勵電流不同，不論繞組接線如何，線電流存在一定量3及3倍次諧波。
　　2、電子開關型：主要為各種交直流換流裝置（整流器、逆變器）以及雙向晶閘管可控開關設備等，在化工、冶金、礦山、電氣鐵道等及家用電器中廣泛使用，并加速發展。其非線性呈現交流波形的開關切合和換向特性。一般還包括整流變壓器的漏抗和直流回路中設置的電抗器。注入系統的特征諧波電流僅在完全的或不完全的奇次諧波。脈沖數較多的換流設備產生的諧波電流較小。其諧波電流一般采用估計，如12脈動換流設備的諧波（5、7、17、19…次）是6脈動換流設備計算水平的15%~25%；而6脈動、12脈動換流設備3及3倍數次非特征諧波為基波電流的1%左右。
　　3、電弧型：各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊接期間，其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規則的波動。電弧爐在熔煉前0.5~1h為熔化期，其特征是在電極和固態原料這間形成極不穩定的電弧，電弧電流不規則的波動，且三相電流大而不平衡，呈沖擊性，向固態原料提供大量的能量使其熔化。由于交流電流過零后的起燃及形成的伏•安特性為高度非線性的電弧，使電流波形產生不規則的畸變，隨熔煉過程的進行，各相、各時刻的電流波形大小各不相同，為變化大、具很大隨機性的諧波電流源。其諧波主要為2、3、4、5、7次的三相不平衡諧波電流源，還有基波負序電流注入系統。此外，三相電流的劇烈波動會造成母線電壓波動和閃變。
　　就電力系統三相供電來說，在三相平衡和三相不平衡的非線性特性。后者如電氣鐵道、電磁爐及單相家電。家電功率小而數量多，可以匯集成為較大的諧波電流饋入電網，使電網的諧波水平升高。
　　因系統施加于負荷的電壓基本不變，諧波源負荷通過向電力系統取得一定的電流作功，該電流不因系統外界條件和運行方式而改變，而諧波源固有的非線性伏•安特性決定了電流波形的畸變，使其產生的諧波電流與基波電流具有一定的比例，因此非線性負荷一般都為諧波電流源，向系統注入一定的諧波電流。由于諧波電流源內阻抗遠大于系統的諧波阻抗，故諧波電流源在電力系統中一般可按恒流源對待。諧波源注入電力系統的諧波電流，在系統的阻抗上產生相應的諧波壓降，便形成系統內部的諧波電壓，使原有的正弦波形電壓產生畸變。
　　2諧波危害
　　1、對旋轉電機的主要危害是引起附加損耗和發熱。1）、在定子繞組的損耗，因繞組電阻Rh因電流的集膚效應而大于基波電阻R1。繞組電阻Rh=R1；單相h次諧波電流產生的附加損耗：△Ph=R1=（HRIh）2R1=△P1HRIh）2。異步電機主要附加損耗為定子繞組銅損耗，國內曾發生諧波多起異步電機定子繞組過熱燒毀事故。2)、轉子鐵芯感生諧波渦流，引起轉子鐵芯附加損耗和發熱，也影響到轉子絕緣強度。當諧波負荷三相不對稱產生基波負序電流注入發電機時，在諧波電流和基波負序電流的共同影響下，會使中、小型發電機的轉子受損。
　　此外諧波還會引起旋轉電機的振動并發出噪聲，長時間的振動會使金屬疲勞和機械損壞。
　　2、變壓器和線路的影響及諧波網損：
　　諧波總損耗：=
　　系統變壓器和線路的損耗構成了電網損耗的主要部分。諧波使網損增大，在發生系統諧振或諧波放大的情況下，諧波網損可達到相當大的程度。諧波電流除引起變壓器繞組附加損耗外、也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發熱，并在可能局部過熱。此外，諧波還能引起變壓器的振動，使噪聲增大。（短時段內發出較高的嗡叫聲。）
　　3諧波諧振、放大及其危害
　　3.1諧波諧振及放大
　　①、串聯諧振：系統中某些電感、電容對于諧波源形成串聯回路時，便可能發生串聯諧振。即當對于諧波源串聯回路的某一個頻率阻抗為0，，=諧波源產生的同一次諧波時，便激發串聯。此時回路的hr次諧波電流很大，在變壓器T和電容器C上形成很高的hr次諧波電壓，過電壓對兩者造成危害。對于實際系統中一般均為諧波電流源來說，該低阻抗回路使系統中各鄰近的諧波源均要向其注入諧波電流，使電流增大，電壓升高。
　　②、并聯諧振：系統中某些電感、電容對于諧波源形成并聯回路時，便可能發生并聯諧振。即變壓器T及系統的感抗與補償電容器的容抗對諧波源的并聯回路，當某一頻率fr使并聯支路的感抗與容坑相等時回路的頻率阻坑趨向無限大：，對于實際系統中的諧波電流源來說，由于，即使有少量的同次諧波電流注入，回路電壓Uhr將無限升高，電容、電感電流無限增大，其形成的諧振環流將大大超過諧波源注入的電流，相當于外加諧波恒壓源的串聯諧振。諧波過電流和過電壓均給有關設備造成危害。比串聯諧振更具危害性。
　　③、諧波放大：諧波源注入的諧波，其頻率在網絡諧振附近的諧振區內，激勵電感、電容產生的部分諧振。而諧波頻率等于網絡諧振點頻率時的完全諧振（串聯諧振、并聯諧振）是諧波放大的極端狀態。
　　3.2對電容補償裝置的危害
　　電容器的抗諧能力十分脆弱，當諧波注入后，特別在諧振或諧振放大時，會造成過電流、過電壓、過負荷、過熱、異響、外殼鼓肚及擊穿，導致電容器或串聯電抗器的損壞。諧波峰值過電壓可能導致長期局部放電，造成介質擊穿、電容器損壞。對于串聯電抗器，峰值電壓會影響匝間絕緣。諧波峰值電壓不僅取決于諧波電壓含量，還取決于各次諧波對于基波的相位，可能出現的最大峰值電壓是基波和各次諧波有效值算術和的倍。所以必要時考核峰值過電壓的大小。
　　此外，不少電容補償裝置的過電流保護因諧波過電流而動作，把電容器裝置切除，無法投入運行。對于電網，影響調壓和無功補償，降低運行的電壓質量和經濟性；對于用戶，降低功率因數，由力率受獎變為力率受罰，遭受經濟損失。
　　3.3輸電線路的諧波放大及系統諧振
　　輸電線路存在分布的線路電感和對地電容。110kV及以上的架空線路，對地電容的影響已不容忽略。隨著線路電壓等級升高，采用分裂導線增多，使線路單位長度的感抗減少，而線路單位長度的對地電容增大，增大高壓輸電線路在低次諧波產生諧波諧振及放大的可能性。當引起系統諧振其后果十分嚴重，諧波電壓升高、諧波電流增大，引起繼電保護誤動、造成設備損壞及電網損耗增大等。
　　3.4諧波對電力電纜的危害
　　電力電纜的對地電容比架空線路大得多，約為10~20倍左右，而感抗較架空線的小，約為1/2~1/3左右。故電纜的諧波諧振和放大產生于較架空線低的諧波次數，而諧波源產生的低次諧波含量又較大，更易激勵較大的諧振和放大，引起絕緣介質的諧波過電壓而造成擊穿。
　　3.5諧波波對繼電保護和自動裝置的干擾
　　諧波在負序（基波）量的基礎上產生的干擾，如對各種以負序濾過器為啟動元件的保護及自動裝置的干擾。由于保護按負序（基波）量整定值小、靈敏度高，再加上如電氣鐵道、電弧爐等諧波源，又是負序源，在負序基礎上疊加的諧波干擾，對保護和自動裝置的影響十分嚴重。實際運行中已引起下列保護和自動裝置的頻繁誤動。①發電機的負序電流保護誤動。②變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置的負序電壓啟動元件誤動。③母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動。④線路各型距離保護的負序啟動振蕩閉鎖裝置誤動。閉鎖距離Ⅰ、Ⅱ段，線路發生故障時只能靠距離Ⅲ段切除。同時振蕩閉鎖中原定工作條件動作次數極少的繼電器，會因頻繁動作造成彈性疲勞、接觸不良或觸點粘連等，而構成跳閘條件，引起保護誤動，造成系統解列、用戶停電事故。⑤線路相差高頻保護誤動。諧波干擾使其負序啟動誤動，造成高頻比相失誤，引起220kV線路跳閘。⑥故障錄波器誤動，使記錄紙短時內走盡，一旦系統真正故障時無法進行記錄。
　　4電網諧波的限制措施及管理
　　限制電壓正弦波形的畸變均采用電壓總諧波畸變率THDu（%）和各次諧波電壓含有率HRUh（%）兩個指標。各級電網的限值均由低電壓電網經中壓電網到高壓電網逐級減小。國家電壓總諧波畸變率允許值如下：
　　電網標稱電壓（kV） 電壓總諧波畸變率THDu（%） 各次諧波電壓含有率HRUh（%）
　　  奇次 偶次
　　0.38 5 4 2
　　6 4 3.2 1.6
　　10   
　　35 3 2.4 1.2
　　66   
　　110 2 1.6 0.8
　　為保證電能質量，系統向用戶的供電電壓負有波形合格的責任，而非線性用戶在使用系統電能時，負有限制諧波電流注入系統、不使系統的供電電壓質量過分降低的責任。供電系統與非線性用戶就諧波標準協調，以較為合理的分配方法，保證系統的電能質量和可靠供電，從總體上達到相對合理的、供用電雙方均較有利的運行狀態。絕大多數的用電設備都由低壓電網供電，保證低壓電網的供電電能質量，使眾多的用電設備免受諧波干擾是制訂諧波標準的主要任務。同時低壓電網含有大量小容量的諧波源，因此低壓電網的諧波電壓允許值是諧波標準的基礎限值。中、高壓各級電網的諧波電壓限值，首先應保證低壓電網的諧波電壓不超過允許值，同時應保證本級電網及其設備如繼電保護、電容補償等的安全可靠運行。確定低壓電網諧波畸變率主要根據：1）、大量的低壓異步電動機運行時的允許發熱。2）、確保低壓電容器安全可靠運行。3）、滿足電子計算機和各種精密電子設備正常可靠的工作條件。4）、繼電保護及遠動裝置正常可靠工作。5）、對通信不致產生干擾。0.38kV：THDu=5%，既可存在一定水平的諧波源干擾，又使設備受其干擾的概率很小，從而取得兩者之間的協調。這就確定設備的抗諧波干擾水平必須在諧波限值以上，否則將造成設備本身損壞。
　　一般在諧波源處采取措施最為有效，根據諧波國家標準規定，限制諧波注入電網的諧波電流，把諧波電壓抑制在允許范圍之內，以確保電能質量和系統安全、經濟運行。
　　1、 增加換流裝置的脈動數，一般是將兩組6脈動改為12脈動整流器的消除諧波方法在技術、經濟上都十分有效。脈動數增加過多，投資大，對消除諧波不十分有效。
　　2、 在諧波源處裝設交流濾波器，用以吸收諧波電流。其分為：單調諧濾波器、雙調濾波器和高通濾波器。單調諧濾波器用于吸收單一次或相鄰的諧波；雙調濾波器用于吸收某一次及以上各次諧波。對于大容量的諧波源，次數較低，含量較大的幾次諧波，如3、5、7次，對每次諧波各裝一個單調諧濾波器，次數較高的諧波，則裝一全高通濾波器將其全部濾除。
　　濾波器應滿足兩個基本要求：1）、要使諧波源注入系統的諧波減少到標準允許范圍。2）、對濾波器進行基波無功補償。
　　濾波器設計和運行應注意是否存在并聯諧振和串聯諧振，避免在低次諧波存在諧振點。
　　3、 在諧波源處裝設在源電力濾波器補償諧波電流。
　　4、 在一些特殊情況下采用特殊措施：1）、當本級電網容納不下諧波源負荷，可考慮由上一級電網供電。2）、避免電容器對諧波放大。當諧波源處及其諧波影響范圍內有并聯電容補償引起諧波放大時，會導致系統和電容器諧波升高，可采串聯電抗器把電容器和系統間的諧振放大區移離諧波源產生的諧波頻率，避開諧波放大。
　　5結論
　　必須加強諧波管理意識、分健全諧波管理制度。
　　1）、建立和健全諧波源的技術檔案。
　　2）、新建或增容的諧波源在申請用電時，應根據諧波源和系統公用電網參數，進行諧波預測計算，對于超出標準允許值的用戶，需采取限制諧波的措施，并與用電設備同時投運。
　　3）、設定監測點和日常監測。
　　4）、要對電網進行定期諧波普查。
　　
　　參考文獻：
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