电气设计中谐波危害及滤波装置的选择

杨林

摘 要：电力系统中很多地方都能产生谐波现象，这种现象遍布于我们的生活之中，本文就在電气设计过程中如何对谐波抑制、电气设计中谐波危害以及电气设计中滤波装置的选择进行了说明。

关键词：电气设计；谐波危害；滤波装置的选择

引 言

电力系统中发电、输电、配电、用电4个环节都可能产生谐波，如发电机三相绕组不对称、变压器铁心饱和等因素引起谐波，但是主要谐波源还是来自用电环节，如电弧炉、整流器、变频器等非线性负载的大量使用。因此在电气设计过程中对滤波装置的选择就变得尤为重要，如果在电气设计过程中没有考虑此部分因素，那不仅增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，还将影响继电保护和自动装置的工作和可靠性，使很多用电设备无法正常运行。

1 用电环节中谐波的产生

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。在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波：

1.1 晶闸管整流设备及变频装置

由于晶闸管整流在电力机车、充电装置、开关电源等许多方面都得到了广泛的应用，给电网造成了极大的谐波。单相整流电路，会产生奇次谐波电流，在接感性负载时，其中3次谐波的含量可达基波的30%，接容性负载时，其谐波含量随电容值的增大而增大；来源于各种电气设备中，主要包括一些电力电子设备，变频装置等。变频装置常用于风机、电梯等设备控制中。变频电路，其负载性质一般分为感性和容性两种，其谐波成分含有整数倍数的谐波、非整数倍数的间谐波。据统计，由整流装置产生的谐波占电力系统所有谐波的最大值。

1.2 电弧炉设备及气体电光源设备

电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响下将产生大量的谐波；气体电光源包括荧光灯、卤化灯等。根据这类气体放电光源的伏安特性十分严重，同时还含有负的伏安特性。而气体灯具工作不仅要与电感性镇流器相串联，而且要使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量在20%以上，既而气体电光源设备属于电流源型谐波源。

2 谐波的危害

近年以来，因谐波引起的各种故障、事故的不断发生，谐波危害的严重性这才引起了人们高度的重视，谐波对用户的危害主要表现在以下几个方面：谐波使用户电网中的设备产生附加谐波损耗，增加电网线路损耗。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量三次及其被数次谐波电流，造成零线过热，加速线缆老化，严重时会造成火灾；如果用户电网有补偿电容，滤波容易使电网与补偿电容器之间发生谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连设备的损坏；谐波会引起一些敏感的自动化设备误动作，还会导致电气测量仪表计量不准确；谐波会引起电力系统继电保护误启动、误动作跳闸，拒动和损坏，引起事故发生；随着谐波电压的增高，容器的损耗系数增大、附加损耗增加，会加速电容器的老化，缩短了电容器的寿命，容易发生故障。另一方面，当电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率接近或等于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

3 电气设计中滤波装置的选择

滤波器的主要作用是向输出端传入输入信号中的有用频率滤去无用频率。如今比较常用的滤波器主要分为无源滤波器及有源滤波器这两种装置，其总结如下：

3.1 无源滤波器

无源滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可抑制主要次谐波（3、5、7）次。

3.2 有源滤波器

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。有源滤波器的优点在于可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，不会产生谐振。可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、精密电子企业、机场/港口的供电系统等。

有源滤波器选择中谐波电流的计算：

3.2 有源滤波装置的安装位置

对于单台重要设备谐波源或者比较集中的谐波源，滤波器可就近安装在设备配电箱内，详见图1。

对于谐波源较多，或比较复杂的设备，有源滤波器可在低压配电柜处设置，详见图2。

4 结 语

随着电力电子技术的发展与进步，将出现新的谐波源，而且有源滤波器造价太高，受硬件限制，在大容量场合无法使用。有源滤波容量单套不超过100kVA，目前最高适用电网电压不超过690V。滤波器的技术有待于挖掘。

参考文献

[1]尹宏程.混合有源电力滤波器分析及应用探讨[J].2007，25（1）：16.

[2]王雪丹.矿井大功率直流拖动系统谐波及其补偿控制研究.中国矿业大学，2009.