谐波的抑制探讨

■ 中国建筑东北设计研究院有限公司、日立高新技术（上海）国际贸易有限公司大连分公司 王书晖 王书杰

1 引言

随着电力电子技术的不断发展，大量的信息技术设备和电力电子装置被广泛应用于各种领域，同时也将大量谐波注入公用电网，给公用电网和用电设备带来严重危害，干扰了人们正常的工作和生活，因此必须对谐波加以治理，提高电能质量。

2 谐波的定义

供电系统对谐波的定义是对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率与工频相同的分量为基波分量，得到的频率为基波频率大于1整数倍的分量为谐波分量。即：

A0:周期函数f(t)的恒定分量（或直流分量）

A1mCOS(w1t+ψ1)：基波分量，其周期或频率与原周期函数相同

其他各项统称为高次谐波，即2次，3次…

3 谐波源

谐波是由非线形负荷引起的，当正弦波电压施加在非线形负荷上时，电流就变成非正弦波，非正弦波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。如今广泛使用的负载大部分是非线形的，如整流器、变频器、UPS、电梯、空调、气体放电灯、复印机、家用电器等，根据资料记载，当前重要的谐波源依次是电力整流装置、家用电器以及大型电弧炉，这些非线形负荷的大量涌现，使得供配电系统中注入电网中的谐波电流增大，引起供电电压畸变，严重影响电能质量。如下图所示，一个供配电系统终端所连接的非线形负荷引起的谐波电流流向电网在A点引起电压畸变，从而使通过A点供电的所有设备都加上一个畸变电压。

4 谐波的危害

根据以往同类项目测试报告分析，系统中存在大量的谐波会造成系统电能利用率低，造成了浪费；造成系统电源畸变，影响了系统供电质量。同时还对其它供电及用电设备造成危害，缩短设备使用寿命，存在安全隐患，其主要危害表现为：

1）电力变压器、电力线路，电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。因此，谐波的泛滥将会严重地威胁用户的供配电系统安全、可靠、稳定的运行。

2）电动机：输出谐波对电动机的影响主要有，引起电动机附加发热，导致电动机的额外温升，电动机往往要降容使用，由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘，严重谐波还会导致电动机失速，造成损坏。

3）电力电容器组：一般电容器的标准规范，规定其最大电流只允许10%的超载，但实际运转时，由于谐波的影响，以致常发生严重过载。由于电容器之阻抗，随频率的增加而减少，故谐波产生时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，因而导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件引起谐振时，会造成母线设备全部烧毁。

4）变频、开关设备：由于谐波电流的存在，开关设备在起动瞬间产生很高di/dt的电流变化率，致使增加暂态恢复电压的峰值，以致破坏绝缘。

5）保护电器：电流中含有谐波，必产生额外的转矩，改变电器的动作特性，以致引起误动作。

6）计量仪表：电能表等计量仪表，因谐波而会造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度，严重时造成仪表损坏，重要仪表价格昂贵，损坏会带来巨大损失。

7）电力电子设备：在多种场合，电子设备常会产生谐波的电流源，且很容易感受谐波失真而误动作。

8）其它还有如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命。

9）酒店、办公楼等大量节能灯、办公设备会产生大量的三次谐波，叠加到中性线上，产生3倍于相线的谐波电流，留下严重的安全隐患，据考证，70%的火灾由电气引起，且大部分是中性线问题。

5 谐波的抑制

为限制供配电系统中谐波的传播，提高系统中设备的抗干扰力，通常采取以下措施来治理谐波。

a将非线形负荷放置在系统上端,因为短路容量的降低，会造成总谐波分量的降低，因此，宜尽可能的将非线形负荷连接至靠近电源端的位置，以利减小谐波的骚扰。

b将非线形负荷与敏感负荷分别由不同母线供电，以减少电源电压畸变对敏感设备的干扰。

c对装置中含有大功率设备或重要设备时，宜采用专用变压器供电。

d合理选择变压器的接线方式，变压器不同的接线方式，可以减少特定次数的谐波。Dy接线可降低3次谐波，DZ5接线可降低5次谐波，Dyd可降低5、7次谐波。

e选择合适的滤波设备。

6 无源滤波器、有源滤波器的区别

目前，滤波器大体分为三类：无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器。下面以表格的形式对无源滤波器和有源滤波器加以比较，而混合滤波器则是吸收了这两种滤波器的长处。

7 滤波器在改造项目中的应用

对于已经运行的配电系统，在进行谐波治理前，必须采用专业的仪表对配电系统进行全面的谐波检测，并根据检测结果制定相应的选型方案。以下是施耐德AccuSine有源滤波器在内蒙古某移动公司UPS系统抑制谐波及节电改造项目中的应用。本工程共有两组高频电源及6台UPS，采用8台AccuSine/3L-100A分别治理这8台负载的谐波。谐波测量采用的仪表是FLUKE434的电能质量分析仪，并利用其软件进行谐波分析，投运数据按照这8台负载的编号顺序排列，下面仅给出一组投运检测数据。

以上数据严格按照协定标准列出对比表格，数据测试时系统设备均为正常工作状态，其中全部计算数据均在检测5～10分钟得出，选取全时段计算平均值的典型数据列出，测试取样位置均为负荷电源进线端，为滤波器针对补偿的真实效果数据；测试数据表明：在滤波器投入前，系统电压、电流谐波注入值均超出相关协定标准，而在滤波器投入运行后全部达标，可以使供电质量和用电环境得以优化，可有效的保障UPS低压配电系统的安全运行；同时，滤波器投入后使得设备工作电流大大减小，且开启无功补偿功能后，功率因数皆由原来的0.78～0.80升为0.94以上，达到了既滤波又有一定节能功效的效果。（注：协定标准为：滤波效果为电压、电流畸变率小于5%）

《电气装置应用（设计）指南》 施耐德电气

《建筑物供配电系统谐波抑制设计规程》 DBJ/T11-626-2007