现代电力系统谐波危害与检测

华北电力大学 电气与电子工程学院 赵

现代电力系统谐波危害与检测

随着工业生产和电力电子技术的发展，电力电子装置的应用越来越广泛。一方面，电力电子装置的应用使生产、生活更加方便、智能化；另一方面，由于电力电子装置的非线性，给电力系统注入了大量的谐波，会危及电网设备的安全运行和寿命。因此，限制注入系统的谐波，对于提高电能质量具有重要意义。

一、电力系统谐波的概念

电力系统的理想电压波形是频率为50 Hz的正弦波，但是由于电力系统大量非线性负荷的存在，使得电压波形产生畸变，对产生畸变的非正弦电压波形进行傅里叶分解，除了得到基频分量，还会得到一系列基频倍数次的波形，这些波被称为谐波。国际电工标准认为，频率为基波频率整数倍的正弦波即为谐波。谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。谐波实际上是一种干扰量，影响电网的正常运行。谐波一般分偶次谐波和奇次谐波，电力系统中由于三相系统的对称性，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，而奇次谐波的危害要高于偶次谐波。

二、电力系统谐波的危害

20世纪60年代以后，电力电子装置在电力系统中的应用不断加深，谐波的危害也引起了人们的重视。谐波对系统的危害具体表现在以下几个方面。

1.系统损耗增大。谐波电流使发电、输电和配电过程产生附加损耗，使得电力系统的一些重要设备温度升高，运行效率降低。在中性点直接接地系统中，若大量未经滤除的三次谐波流过中性点，就可能导致线路过热，甚至会引发火灾。

2.影响电气设备正常工作。谐波会使输电线路损耗增加，导致线路温度过热，绝缘老化，缩短了线路的运行寿命；谐波会增加变压器的磁滞损耗、涡流损耗，使变压器的局部发生过热；对于电机，谐波不仅会产生附加的损耗，还会在电机上产生机械振动、噪声和过电压；对电力电容器，在高频谐波电压下，流过电容器的电流会很大，使电容器产生一定的损耗。

3.引起谐振。电力电容器在电力系统中具有无功补偿的作用，高压输电线路存在较大分布电容。由于线路和变压器电抗的存在，在一定的谐波频率下，就有可能引发串联或并联谐振，谐振会在元件内部产生很大的过电压或过电流，进而危及设备安全，影响电力系统的稳定运行。

4.继电保护装置误动作。测量装置的准确度受到电能质量的影响，在标准的工频电压下，测量装置准确度较高，但在系统混入谐波后，测量装置精确度会大大下降。测量装置不准确时，继电保护装置测量元件会因谐波影响而误启动或者拒动，造成电力系统继电保护装置误动作，造成停电事故。

5.干扰通信。谐波对通信系统的危害主要在于谐波产生的噪声会对无线电的传播产生干扰，使通信信道内传播的信号产生畸变，从而导致通信信号丢失或者畸变。

三、电力系统谐波检测措施

1.采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波。这是最早的一种谐波检测方法，本文，笔者以模拟并行滤波式滤波测量装置为例，对滤波器滤波方法进行阐述。其原理如图1所示。

先将信号输入放大器，对信号进行放大，再依次送入滤波器1、滤波器2、…、滤波器n进行滤波，其中滤波器的中心频率为工频的整数倍，按1 ～ n依次增大，最后送入多路显示器显示。由于这种滤波方法电路结构简单，在早期的谐波检测中得到了广泛应用，但由于受外界影响较大，检测精度不高，现在已很少使用。

2.基于傅立叶变换的谐波测量。该方法检测精度高、功能多，但计算量大，计算时间较长，实时性差。另外，在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使测量的信号参数不准确，相位测量误差会很大，通常无法满足测量准确度的要求。为减少泄漏误差，常常采用加窗算法、插值算法、双峰谱线修正算法来降低误差。

3.基于瞬时无功功率的谐波测量。Ip – Iq法适用于电网电压畸变和电网电压不对称的情况，而p – q 法则会产生较大误差，不适用于电网电压畸变。这种方法的优点是实时性好、测量电路简单，缺点是不够经济。

4.基于小波变换的谐波检测方法。小波变换相对于傅里叶变换在频域和时域都能完全局部化，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大优越性，但在稳态测量方面不具备优势。综合来说，小波变换结合傅里叶变换而达到优势互补是一种行之有效的方法。

5.基于神经网络的测量方法。神经网络是一种模仿动物神经网络行为特征，进行分布式并行信息处理的数学算法模型。这种谐波测量方法需要构建恰当网络，选择合适算法。该方法目前也处于初级研究阶段，对于样本的依赖性过高，因此距实际工程应用还很远，但由于其所表现出的检测实时性高、精确度高、抗干扰能力强等优点，发展前景广阔。