供配电系统谐波产生、危害和故障分析

周连军，魏双亭，王新捷

（1.上海同济大学，上海 200092； 2.天津市电工技术科学研究院，天津 300232）

引言

电是当今社会不可或缺的能源，电能质量也随之被人们熟知，但各类电子设备的广泛应用，使谐波问题越来越受到重视。它可以对电力系统、供配电系统造成一系列安全隐患，它的非线性、随机性、影响因素的复杂性可形成不可预知的潜在威胁。本文就三次谐波这一问题进行探讨。

目前在办公楼、写字楼和商场中大量使用电脑、电视、复印机等电子产品是造成线路中出现3 次谐波的主要因素，这就是在供配电线路中A、B、C 三相配电正常，N极线路发热异常烧断的因素之一。以下是我们使用电能测试仪FLUKE 43B 测得部分用电波形图（图1）所示。本文就这一问题进行探讨。

1 谐波的产生

1.1 谐波的分类

供配电系统中产生的谐波有以下2 类：①暂态谐波：暂态谐波的产生是由负载突变、故障引起；②稳态谐波：稳态谐波是由非线性负载产生。

1.2 产生谐波的原因

办公用的楼宇在供配电系统中谐波基本以3 次谐波为主, 更高次谐波逐级递减(可以忽略) 。 产生谐波的主要原因有以下几种：

1.2.1 电源侧的非正弦波高次谐波是由发电机、变压器、电力电容器、电抗器等非线性设备和元件生产的。这些设备和元件当合闸、分闸时引起电压、电流跃变会产生一些高次谐波。

1.2.2 电力电子装置产生的谐波：目前电力电子装置已成为最主要的谐波源。在各种电力电子装置中整流装置占的比例最大，常用的整流电流主要采用可控硅电路或二极管整流电路。其中，单相桥式和三相桥式整流电路产生的谐波对配电系统的污染最为严重，其次是直流侧采用电容器滤波的二极管整流电流，也是严重的谐波源。例如：中央空调、空调器（特别是变风量空调器）、电视机、计算机、复印机、微波炉、洗衣机等。

1.3 三相供配电系统中三次谐波对线路的影响

非正弦周期性交流电路的分析常采用傅里叶级数方法。

周期函数 ，可表示成傅里叶级数：

当电源包含高次谐波时，三个电源电压在波形上相同，在时间上相差1/3 个周期，可以表示为：

可看出：

1）各次谐波都是奇次项的。

2）7,13 ,19 次等谐波与基波相位完全相同，组成正序三相电压组。

3）5,11 ,17 次等谐波与基波相序相反，组成为A-C-B 负序三相电压组。

4）3,9 ,15 次等谐波，uA, uB, uC的相位相差360°，称为零序电压。

可见，三相四线制供配电系统中的谐波经傅里叶级数分析后，每一相线中均流过各自相的三序分量，而中性线将流过三相的三序分量，但经过矢量叠加后只有三相的零序分量通过。

在电源相电压中的零序谐波组，3 次谐波,沿电源回路之和将不等于零。回路中将有3k(k=1, 3, 5...)次谐波的环行电流，其有效值为：

由于各相3k 次谐波大小相等、相位相同故得出结论：

这时中性线中的电流为：

有效值为：

图1 某商场一层3 次谐波监测波形

三次谐波电流主要由单相非线性负载产生，由于三次谐波属于零序谐波，在三相供配电网络中，各相的相位差为120°，这正好是三次谐波电流的周期，每相负载内的三次谐波电流在中线性汇集时，其瞬时值是直接同相相加，这个电流完全可能大于相线电流，使开关的N极长期发热，甚至烧毁。

2 治理谐波

谐波治理就是通过各种措施减少谐波的产生或者使产生的谐波流入滤波设备，或者抵消产生的谐波，使供配电线路的谐波含量符合电网谐波标准GB 14549-2003的要求。就本文提出的问题，我们采用了两种方案，①在商场变电室添加了电容器和电抗器组合的滤波器，由于成本高，在实际使用中我们只选用了三次谐波滤波器。②针对商场用电设备不均衡和初期楼宇设计与实际使用荷载容量不一致的情况，合理调配整理线路；同时在事故频发线路中更换断路器，改为N 极带过流保护脱扣器的断路器；最后经过测试运行后线路正常，未再出现线路故障问题。

3 结语

根据前面分析，为了保证线路中各种电子设备正常稳定的工作，我们应该采取相应的措施、应用新设备，减少电压波动及闪变，增加消谐设备提高电能质量，消除电能污染。

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M]. 北京：中国电力出版社,2010 .

[2]林海雪.电能质量技术讲座 [C]. 北京：中国电力科学研究院,2012.