电网环境中谐波的危害及其治理

陈吉明

摘要：谐波的存在严重影响着供电质量，但却是不可避免的。近些年很多企业都采用HAPF技术，而不是简单的PPF，这极大改善了补偿措施。文章介绍了谐波的产生及其对电气设备的危害，同时提出降低谐波的一些改进举措。

关键词：电网环境；谐波；供电质量；HAPF技术；PPF

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）19-0119-02

谐波在电网中是一定存在的，它严重影响着供电质量，对电气设备的危害也很大，尤其是对电容器的危害更大。近些年很多企业都采用HAPF技术，而不是简单的PPF，这极大改善了补偿措施。文章将重点介绍谐波的危害和处理方法。

1电网谐波的生成

在电网中，发电机发电都是三相对称的交流正弦波，其频率各国有所差异，我国的规定是50Hz，这就是基波。谐波是相对于基波而言的，谐波国标GB／T 14549-93上的说明是“对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到的频率为基波频率大于1的整数倍的分量”，由于非正弦波都可以用傅立叶级数表示，它的幅值和初相角都与谐波次数有关。根据谐波的谐波次数可以分为奇次谐波和偶次谐波。另外，当谐波同基波频率不是整倍数关系时称为谐间波，当谐波频率低于基波频率时称为次谐波。

我国的供电系统的基波频率都是50Hz，当电网的正弦波电压加在非线性负荷上时，负荷吸收的电流就会不同于施加电压的波形，也就是电流出现了畸变。畸变电流会在电源系统的阻抗上产生电压降，也就是畸变电压。畸变电压在电源部分，对后边的所有负荷都会产生影响，无论线性还是非线性，后边就会产生更多的畸变电压。当电网中某种比例电抗器自身电抗和电容比率合适，就可以产生固定次数的谐波电流，而且这种谐波电流会被放大，甚至达到电源电流的10倍以上。在电网中存在很多谐波电流，但是对于使用电器只要谐波电流很小就不会有问题，只有谐波电流很大时才会产生危险。由此可以知道产生谐波的根本原因还是负载的非线性特性，非线性负荷造成电压和电流的非线性关系，从而引起畸变电流和畸变电压，这里主要有三种类型的设备：铁磁饱和、电子开关、电弧。典型设备有电抗器、变压器、整流器晶闸管、逆变器、电弧钢炉和交流焊接机等。

2谐波对电网和电气设备的危害

2.1谐波对电机的影响

通常谐波的频率都会高于基波频率，而一些电机对频率是非常敏感的，在电机运行时会产生集肤效应和磁滞涡流，使得附加损耗增加。并且会使定子和转子建立的漏磁场产生额外的损耗，对斜槽转子感应机、定子磁通的变化都会产生很大的铁损。对很多小型电机的实验已经证明，电机持续受到负序电压为额定电压3%时，电机的寿命至少减半，由于不规律的谐振会造成电动机的震动加强，电动机的机械寿命也会大大减小。一些特殊情况下还会使电动机的局部过热，严重损坏电机。另外，谐波还可能产生脉冲波，这对电机的转矩影响较大，严重的时候还会出现转子断条以及转轴扭曲振动的

问题。

2.2对电力变压器的影响

通常电力变压器的激磁电流中都存在谐波电流，但是一般在额定电流的1%～3%，这样变压器的磁通还是趋于正弦波的，所以它不会引起变压器的铁损和发热。即便是变压器启动时，存在的谐波电流很大，甚至超过额定电压，但是一般浪涌电流存在的时间都很短，也不至于对变压器构成威胁。但是变压器谐波振动时，谐波电流将会被成倍放大。对于全星形接法的变压器，正常时每相绕组电压的3次谐波含有率可达到相当大的数值，若绕组中性点接地，且该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器组时，可能构成接近于3次谐波谐振的条件，使3次谐波电压和电流增大。

2.3谐波对通信和电器的影响

谐波对通信线路的干扰主要通过电容耦合、电磁感应、电气传导进行。谐波对通信线路的干扰，不但可能损害通话的清晰度，而且在谐波和基波的综合作用下曾发生多次触发电话铃响的情况，甚至在极端情况下会威胁到通信设备和人员的安全。家用电器通常对电压电流都是有限制的，一方面供电点的质量会使很多电器直接受到谐波危害；另一方面，电器本身也会产生谐波，所以电器群中的电器还会相互影响，这样更增加了供电电压畸变。谐波电流和电压噪声以及静电场都会使计算机的程序出错，使得一些家电不能正常工作。

3谐波的处理方法

谐波的存在严重威胁着供电质量，对电气设备的危害也是不言而喻的。要控制谐波，就必须对产生谐波的谐波源进行监控和治理。谐波的处理人们很早前就开始研究，现阶段我国大部分企业的处理措施还是采用电抗器和电容器组成滤波电路，也就是常说的无源电力滤波器（PPF），这种措施主要是利用LC电路的谐振作用削弱谐波。这种方法投资少、效果好，所以长期被人们采用。但是，这种措施也有明显的缺陷，从三个方面说：（1）PPF一般都是对固定频率的谐波起作用，其参数也是设置好的，所以只能补偿某一频率的谐波，而且它的滤波效果与电网的稳定性有关，也不可能对所有谐波起作用。（2）PPF上都存在电容电感，这些很可能和电网发生串联，极易损坏电容，对电网的安全也会构成一定威胁。（3）虽然PPF的成本不高，但是它却耗费大量的金属材料，体积庞大，在安装时也是耗费很多人力，越来越不符合节约型社会的要求。

为解决PPF只能补偿固定频率谐波的问题，很多商家开始生产动态PPF，也就是利用多组LC滤波电路分别对不同频率的谐波进行滤波，实质和PPF没有区别，仅仅是增加了LC的组数，但在效果上还是得到了很高评价，不过对于后边的两个问题这种措施也是束手无措。随着电力电子的发展，上世纪的70年代一种新的有源电力滤波器出现了，简称APF，而且大有统一市场的气势，在西方发达国家已经开始使用。这种技术可以利用计算机实时性地计算出电网中谐波的频率，然后指挥输出设备输出一个和谐波大小相同、方向相反的电流去抵消谐波电流，达到补偿的效果。这种措施利用了先进的控制技术和计算机技术，控制效果要好很多，而且其动态实时性也是无法比拟的。不过现在APF面临的唯一问题就是造价高，使用成本高，对一些电子器件的要求也是很高，比如电压电流的限制等，除了一些重要的场合，这种技术使用的还是很少。为解决问题，很多企业采用PPF和APF的组合体，先利用PPF消除大的谐波，再利用APF对一些小的谐波进行补偿，双管齐下，这样减小了APF对电子器件的性能要求，也就降低了造价，同时又利用了PPF低廉的造价，这种组合体叫做HAPF。

这里以某个造纸厂电机运行速率为例进行说明。由于该电机的运行速率波动较大，导致产品加工时的断头率较高。随后对设备进行检测，结果发现问题出在了变频器上，变频器产生的谐波进入车间，并在电网传播，导致了电机的运行波动。工厂决定安装HPD设备，对电网质量进行改善，结果断头率明显下降，经济效益明显改善，其中断头率下降效益21万、产品质量效益96万、设备稳定效益10万、电能节约效益2万，通过治理每年增加效益129万元。

4结语

谐波的存在威胁了电气设备的正常运行，同时也给电能计量带来了麻烦。在消除谐波的措施中，HAPF逐渐取代了PPF，这也是科技发展的必然结果，相信随着科技的进一步发展，更有效且成本更低的技术一定还会出现。

参考文献

[1]吴竞昌．电力系统谐波[M]．北京：水利电力出版社，1996．

[2]张克强．电力谐波影响的评判[J]．西南民族学院学报，2001，27（4）．

（责任编辑：文森）