减少谐波危害的思路

本文分析了有色工矿企业供配电系统中谐波产生的原因及危害，结合工程实践经验，提出减少谐波危害的工程设计思路。

谐波会导致供配电系统电流和电压波形畸变，电能质量下降，危害系统及用电设备。因此，工程设计人员了解谐波产生的机理及危害，研究解决方案，对改善供电质量和确保供配电系统安全经济运行有着非常积极的意义。

谐波产生的机理与危害

在供配电系统中，谐波是指周期电气量中频率大于1整数倍基波频率（50Hz）的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，即谐波次数n，比如对于50Hz的电网来说250Hz的正弦波即为5次谐波。需要指出的是谐波次数必须是大于1的正整数，电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴。

电网上同时存在着谐波电流和谐波电压，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流便畸变为非正弦波电流，这些非正弦波中包含了谐波电流，谐波电流注入电网中，流过线路阻抗和系统阻抗时便产生了谐波电压。有色工矿企业中主要的非线性设备有：变压器、铁心电抗器、电力电子装置、电弧炉及气体放电灯等，其中，电力电子装置是主要的谐波源。

变压器、铁芯电抗器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。加在变压器、铁芯电抗器上的电压u与铁芯磁通Φ是的关系是：N为绕制匝数。当u为正弦波时，Φ与u相差π/2 ，按正弦律变化。而励磁电流和磁通的关系是由铁芯的磁化曲线决定，由于铁心磁化曲线是非线性，因此励磁电流含谐波。

在有色工矿企业中常用电力电子装置以两象限交直交变频器为例，整流环节为带滤波电容的二极管三相桥式整流电路，其交流侧电流中除基波外，含有n=6k±1（k为正整数）的高次谐波，各次谐波有效值In=11/n，I1为基波电流有效值。

电弧炉的谐波主要由起弧时延和电弧的严重非线性引起。电弧长度的不稳定和随机性，使其电流谐波频谱十分复杂。气体放电灯是严重非线性的负载，其产生的三次谐波电流含量最高。

谐波对供配电系统及用电设备的危害主要表现在：

加大损耗。高频率谐波会使系统中的元件产生附加损耗，降低系统及用电设备的效率。

影响电气设备的正常运行。谐波会使电机产生机械振动和噪声，使变压器铁损增加、局部严重过热、寿命缩短，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短。

引起电网局部谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，危害用电设备，常使电容器和电抗器烧毁。

使继电保护等误动，电气测量误差过大。谐波会导致继电保护装置误动作，造成不必要的供电中断和生产损失，还会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差。

使工控系统崩溃。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，计算机无法正常工作，重则导致信息丢失，使工控系统崩溃。

减少谐波危害的工程设计思路

为了减少谐波危害，工程设计可以从以下几个方面着手：

1.选用带有△接法绕组的变压器

变压器一侧绕组为△接法时，3n次谐波将在该绕组中形成环流，不会传到另一侧绕组，从而有效地抑制了3n次谐波的传递。在工程设计中，10kV及以下等级的配电变压器，均应采用D、ynll接线组别，这样，二次侧3n次谐波不会传导到一次侧，且D、ynll接线组别的零序阻抗较小，有利于单相接地短路故障的切除。

2.合理设置无源交流滤波器

传统的LC无源滤波器是较常见的抑制谐波的措施。主要是因为其结构简单、运行可靠，而且除了滤波外，还兼顾了无功补偿的需要。对谐波而言，LC滤波支路相当于低阻抗通道，使相应的谐波电流大部分流入该支路，以达到吸收谐波电流、减少系统侧谐波电流注入值、降低系统电压畸变率的目的。该滤波器还可以向负载提供容性无功功率，提高系统功率因数。

这种方法有其局限性：一是会产生较大的超前无功，当系统的自然功率因数较低时可以兼做无功功率补偿，但当系统的自然功率因数较高时其应用就受到局限；二是这种滤波器的原理决定了其滤波效果受系统阻抗的影响较大，一方面系统阻抗发生变化时其滤波效果也会不同，另一方面当系统阻抗很小时其滤波效果会较差。

3.在电网中并联装设有源滤波器

有源滤波器简称是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波及无功进行补偿，克服了传统LC滤波器的缺点。它以并联的方式接入电网，通过实时监测负载的谐波及无功分量，采用PWM变换技术，向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而抑制谐波、动态补偿无功。

有源滤波器具有如下优点：

（1）实时跟踪动态补偿

采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流补偿技术，实时监测谐波电流，通过瞬时电流跟踪控制，实现谐波电流动态补偿，自动跟踪负载谐波变化，具有高度可控性和快速响应性。

（2）优异的补偿特性

补偿性能不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。也可以用来抑制供电系统中因谐波引起的系统谐振。

（3）灵活的补偿方式

一机多能，不仅能治理谐波，而且能补偿无功，提高功率因数。既可对单个谐波源独立补偿，也可对多个谐波源集中补偿。治理谐波时还可以实现对指定次谐波进行处理。

（4）先进的功率变换技术

采用IGBT高频开关器件，主电路为桥式全控PWM变流器，具有体积小、效率高、可靠性高的特点，先进的多重化技术实现了整机容量的扩展。

4.增加整流器脉动数

整流装置在交流侧所产生的谐波为pk±1次谐波，p为脉动次数，如三相全桥整流为6脉动整流装置，谐波次数为n=6k±1（k为正整），而12脉动整流装置的谐波次数n=12k±1。因此增加整流器的相数，可以有效地消除低次谐波。

某工程的设计中，副井提升机及井下牵引变电所整流装置设计为错相整流等多重化技术实现12脉动或24脉动整流，这从源头上大大减少了谐波的产生，改善了电源质量，避免了大量谐波治理措施的投资，取得了很好的供电效果。

5.变频器进线侧加装电抗器

在变频器交流侧加交流电抗器是显著减少谐波的实用方法。目前，某些知名的国内外变频器生产厂家已在成套内装有电抗器，但这种方法也有副作用，如使变频器入口处的电压损失增加，还有装置的重量和造价也会随着增加。因此，在工程设计中需要进行技术经济比较。

结语

在有色工矿企业中，谐波导致的各种电气设备性能下降、无法工作的现象时有发生。为保证各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行，必须从工程设计阶段就要采取相应措施，确保用电设备的使用寿命，减小谐波侵入电网，从而减少由于谐波带来的各种损失。