小区供电系统谐波危害分析及抑制方法

李布

【摘 要】随着人们生活水平的逐步改善，小区建筑物内的非线性设备的使用量日趋增多，使得其供电系统中的谐波问题日趋严重，给小区的安全、可靠供电产生了严重影响。笔者结合电力谐波的产生原因及小区供电谐波现状，分析了谐波对小区供电的危害，并提出了一系列的谐波抑制方法，并结合具体案例加以论述，可供参考。

【关键词】供电系统；谐波；危害；抑制；有源滤波器

近年来，随着经济的快速发展，小区建筑物内的非线性设备得到日益广泛的应用，同时也对小区建筑物内供电系统产生冲击，产生谐波污染。谐波污染对供电系统安全、稳定运行构成潜在的威胁，谐波干扰导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，电力谐波已成为一大公害，严重威胁着配电系统和用电设备的正常运行。因而了解谐波产生的原因及危害，研究谐波的预防及治理措施，对改善供电质量和确保供电系统安全运行有着重要的意义。

1.电力谐波的产生

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经非线性负载时与所加的电压不呈线性关系就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向电网反馈谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变。在电压畸变的情况下，与电网相连的其他负载也会因此产生谐波电流。目前，家用电器中诸如电视机、音响、计算机、空调、电冰箱、微波炉、电磁炉、充电器等都是3、5次谐波的主要谐波源，虽然这些设备单个容量不大，但在某一小区里其数量很多，这就导致叠加的谐波电流很容易增大到不可忽视的地步。

2.谐波对住宅小区供电的主要危害

2.1 3次谐波过大。容易引发火灾

市场调查表明，国内市场绝大多数的荧光灯电子镇流器3次谐波电流含量高达80%～90%；计算机开关型电源及显示器、彩色电视机及监视器也会有大量3次谐波产生；变频的家用电器，如空调、洗衣机、风机、泵、微波炉等，也都是3次谐波的谐波源。3次谐波电流会在中性线上进行叠加，这会导致中性线中电流过大，使配电系统的中性线电缆出现过负荷引起绝缘老化加速，增大了火灾隐患。

2.2降低配电系统的安全等级

配电系统中谐波的存在会改变控制设备以及继电保护装置的性能。谐波会引起控制设备、继电保护装置拒动作或误动作，造成保护系统运行可靠性降低，容易造成不必要的供电中断或损失。

2.3影响变压器正常工作

谐波电流，尤其是3次谐波对三角形连接的变压器会使变压器漏磁饱和引起损耗增加，会在其绕组中形成环流，使绕组过热。谐波使磁滞损耗增加，电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。谐波还会引起变压器谐振，噪声增大，夜间干扰临近居民休息引发噪音投诉。

2.4影响线路设备安全供电

由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费；由于中性线电流通常很小，其线径一般较细，当大量谐波电流流过中性线时，容易产生大量的热量，从而破坏绝缘性能造成相问短路。当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路上产生很高的谐振电压，严重时会使电力设备绝缘击穿，造成漏电或停电事故。

2.5缩短家用电器的使用寿命

谐波会使电视机、计算机的图形畸变，并使机内的元件出现过热，使计算机数据处理系统出现错误。对于带有启动用镇流器的荧光灯及汞灯，会形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

2.6影响通讯系统的正常工作

当电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，由于静电感应和电磁感应作用，会在邻近通信线路中产生干扰电压，从而降低信号的传输质量，甚至使通信系统无法正常工作。有时，谐波也有可能造成居民的电视或空调遥控器失灵。

2.7导致电力计量误差

电能表是评价居民电能消耗的测量工具和缴费的凭证，而谐波可能使电能表计量产生较大误差。电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，在测量电能时，存在谐波会在该用户处产生有害的谐波损耗，用户为此还要多付电费。

2.8损坏电力电容器

在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加速电容器的老化，缩短电容器的运行寿命。此外，当电容器支路的谐振频率与某次谐波分量的频率接近或相等时，会发生谐波电流放大甚至谐振现象，造成电容器过热、过压而无法正常运行。甚至损坏_4j。镇江公司曾经有甘露、苗家巷等小区配电房发生过电容器因谐波电流的放大出现熔丝烧断现象。

3.谐波的抑制方法

表1两种谐波治理方法比较

针对谐波进行治理，主要包括无源滤波和有源滤波两种方法。这两种方法的工作原理与治理效果对比见表1。

这两种谐波治理方法的性能和价格比较如图1所示。

由图1可知，当配电网仅某次谐波含量高时，采用无源滤波器就能满足要求，且价格便宜。若配电网中谐波次数多或标准要求较高时，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂度，硬件的造价基本不受影响。在配电环境日益复杂和电能质量要求越来越高的今天，有源滤波器作为消除谐波的装置，其优点越来越突出。

图1两种谐波治理方式的性价比

4.具体案例分析

图2大厦部分配电图

我市区某小高层因配电系统中存在大量谐波导致配电系统中线电流过大，电缆有发热现象并且变压器温度过高且噪声明显，因此希望通过安装有源滤波器进行谐波治理，该大楼部分配电设施如图2所示。

在该配电系统中，选取如图标示位置进行电能质量测试，发现该处的电流已经发生明显畸变，测量结果如图3所示。

由此可看：该测试点电流波形已经发生畸变，尤其是波峰和波谷部分有明显的尖峰，根据经验分析是由3次谐波含量较大引起的，这样的电流波形因为电流变化率di/dt过大的特点，对配电系统的危害也更为明显。

频谱可以看出，该配电系统中含有较多的3次、5次、7次、9次、11次谐波。其中3次谐波最为严重，过大的3次谐波会引起中线电流过大、发热严重等现象。

基于以上情况，该大楼采用某型有源滤波器对系统谐波进行治理，安装某型50A有源滤波器l台，对整个大楼的谐波进行集中治理。

经过治理，该配电中心的电能质量得到有效改善，具体波形及频谱图如图3所示。

图3 1#测试点治理后电流、电压频谱

由图2可以看出，在应用有源滤波器之后，该大楼的配电中心谐波得到了有效的治理，3次、5次、7次、9次、11次谐波都大大减小，同时系统的三相不平衡也得到了治理。这样的治理效果，不仅消除了谐波对电网和设备的危害而且也消除了中线电流过大引发火灾的隐患。表2是应用有源滤波器前后的数据对比。

表2 应用有源滤波器前后数据对比

5.结语

总而言之，谐波抑制的好坏直接关系到供电品质，因此，我们把小区供电谐波的污染抑制工作重视起来。一方面应从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，另一方面是提高认识，积极采用有源滤波器对谐波进行有效抑制。只有这样才能创造一个既安全又经济的小区供电系统。

参考文献：

[1] 刘庆伟；刘向东.谐波的危害与治理[J].机械制造与自动化，2011年03期

[2] 程京红.民用建筑谐波污染及其抑制方法[J].电气应用，2008年07期