电力系统谐波污染与治理

王宇

摘要：进入21世纪，电力系统中的谐波污染问题日益严重，已经严重影响到了电力系统的安全稳定运行。文章列举了谐波对电子元件、输电线路、变压器等设备的危害，通过提高电力用户对谐波危害的认识，积极采取加装静止无功补偿装置、有源滤波装置（APF）等技术手段，最终实现谐波综合治理、净化电力系统的目的。

关键词：电力系统；谐波污染；谐波治理；电子元件；输电线路；变压器 文献标识码：A

中图分类号：TM711 文章编号：1009-2374（2016）02-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.044

随着电力电子技术的发展，一些大型、高性能、新型的电力电子设备装置在广泛应用的同时，也向电网注入了大量谐波，这给电力系统的安全稳定、经济运行造成了巨大威胁。谐波污染已成为当今电力系统一大公害，因此防治谐波成为当前广大电力科研工作者和生产技术人员的一项重要任务。

1 谐波治理的意义

近十几年来，随着国家对电力这一国民经济基础行业的重视，在电源和电网建设方面取得了长足进步，电能供需间矛盾正日趋缓解，但电能质量成为困扰电力供需双方新的难题。如果电能质量达不到规定的要求，就会给工矿企业生产和人民群众日常生活带来很大的麻烦，造成无法挽回的损失。长久以来，谐波污染问题始终困扰着电力系统安全稳定运行，这其中电力系统更是深受其害。谐波危害日常表现为电力电子设备寿命减少、电子元件误动作、电网及设备功率损失加大、各种保护功能下降甚至失灵等。因此，有效降低和抑制电力系统中各次谐波，将谐波污染和危害控制在最低水平，对电网设备安全、经济和稳定运行有着巨大实际意义。

2 谐波定义和国家标准

2.1 谐波的定义

自20世纪20年代和30年代，人们在电力生产、使用过程中就开始认知和关注谐波问题。当时，位于欧洲中部的德国最早发现电流、电压的非正常畸变。人们发现当正弦电压通过非线性负载时基波电流发生了畸变。随之产生谐波，而波形不再是人们常见的正弦形式。随着人们对谐波认知程度的日益深入，将谐波概念分成狭义和广义两个概念。狭义概念，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波頻率的电流产生的电量。广义概念，由于交流电网有效分量为工频单一频率，任何与工频频率不同的元素都可以被叫作谐波。因此，“谐波”的意义发生了变化。因广义谐波概念的出现，就有了“间谐波”“次谐波”等说法。

2.2 国家标准GB/T 14549-1993

随着谐波危害问题的日益突出，人们在生产实践中越发需要一个国家通用标准，用于电网谐波量进行有效规范和控制，以便提高电能质量。于是，1993年我国制定并颁布了谐波治理方面的国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）。

3 谐波的危害

3.1 对电力系统的影响

输电线路的电阻由于受阻抗频率特性的决定，电阻与频率成正比的关系。电力系统中携带的大量谐波电流因线路集肤效应的放大和扩张，使线路导线线损增长、损失增多。在电力系统的损失中，线路损耗所占比例很高，因此谐波是导致电网损失增加的一个重要因素。配电线路中广泛存在着对地电容与导线电感，二者在充斥着大量谐波的电力系统中，与谐波源用户形成并联回路或串联回路，在一定条件下，输电线路将发生并联或串联谐振。电力系统中的相关设备，例如变压器、输电线路、继电保护系统、电器元件等因谐波过电流和过电压的原因而导致受损严重甚至损毁。谐波危害对电力电缆的影响比导线要严重得多，电力电缆对地电容是架空导线的15～20倍，而感抗仅为架空导线线路的0.3～0.6倍，因此发生谐波谐振的几率就会增加，电力电缆发生绝缘击穿较导线更为严重。

3.2 对变压器的影响

变压器在运行过程中，因受铁芯材质、工作原理的影响和作用，会产生空载损耗（也叫铁损）和短路损耗（也叫铜损），从而降低变压器的有效出力。变压器损耗受谐波电流影响明显，二者成正比例关系。在众多频率的谐波中以3K形式的谐波（K为正整数）影响较为明显。无论星形接线（“Y”或“y”），还是三角形接线（“D”或“d”），均会增加变压器损耗，从而导致变压器部件发热，老化加速，使变压器使用寿命减少。

3.3 对电力电容器的影响

只要电力系统中存在电感和电容，就可构成简单的谐振回路。当系统频率成为或接近某次谐波分量的频率时系统将出现谐振，经放大后的谐波电流将严重威胁电容的运行。主要危害为两点：一是放大的谐波电流使电容器发热或因过电压无法正常运行；二是谐波电压随谐波电流放大而增加，增大电容器损耗，若在非正常状态下长时间运行，电容器使用寿命将会缩短。

3.4 对电机的影响

在用电负荷中75%的设备是电动机。旋转中的电动机因谐波而产生大量附加损耗，是谐波危害的主要体现。磁带、涡流和集肤效应等随着频率的增高而使在旋转电机产生附加损耗增加，发热效应明显，从而降低电机运行效率、缩短电机寿命。

3.5 对计量仪器的影响

我国目前使用的电能计量仪表都是按照标准正弦波50Hz参考设计并生产的。当电能计量仪表处于大量谐波的非正常工作状态时，表计的计量准确度将大幅下降，从而出现较大误差，严重时将导致计量错误。在谐波的干扰下，谐波用户虽产生了大量谐波，劣化了电能质量，却因为表计的错误反倒少交了电费；而那些无辜的线性负荷用户，在大量谐波的干扰下用电设备性能下降，却多交电费。

4 谐波治理措施

4.1 强化宣传，提高认识

供电企业自身应提高谐波污染对电力系统以及电能质量危害的认识，加强对谐波源用户的宣传和教育力度，积极引导谐波源用户的谐波危害意识，使其能够积极贯彻落实《电能质量公用电网谐波管理办法》（GB/T 14549-1993），减少谐波输出。谐波治理的好与坏直接关系企业生产效率、产品质量及经营成本等诸多方面。谐波源用户应该明白，治理谐波不仅是供电企业的事情，同时还关系到用户自身利益。只有广大电力用户对于谐波危害的认识水平上去了，电力系统中谐波污染问题才能得到控制。

4.2 增加换流装置的相数

换流装置是电力系统中主要的谐波源之一，对整换流装置实施必要的改造，可以明显减少较大的低次谐波输出。换流装置交流侧输出PK±1形式的谐波（P为整流相数或脉动数，K为正整数），直流侧输出PK形式的谐波。通过改造增加整流相数（或脉动数），将整流相数6相增加到12时，可有效消除12K±1和12K次较大低频的特征谐波。在实际应用中可将换流相数较少的换流变压器联结成多相形式以达到增加换流器相数的目的或使换流变压器相互间保持一定移相角的设置模式等抑制谐波的危害。

4.3 加装静止无功补偿装置

现代工矿企业中大量使用电弧炉、变压器、电动机、轧机等非线性设备，只要处于运行状态，就会向电网中输送大量谐波。一方面随着频率快速变化产生高次谐波；另一方面引起电压发生波动和闪变，严重时造成电网三相间电压出现不平衡现象，影响电网安全稳定，劣化电能质量，给电力用户生产用电带来了隐患。在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以明显抑制谐波分量，有效降低电压波动、闪变、三相不平衡，提高系统功率因数，提升电网电能质量。

4.4 加裝有源滤波装置（APF）

有源滤波装置可以动态跟踪补偿，既可以对谐波进行补偿，又可以对无功进行补偿，具有无源滤波装置所无法比拟的优势。有源滤波装置是一种主动抵消谐波电流的设备，其原理是产生与现行电网中的谐波电流极性相反、幅值一样的电流，用以抵消原有谐波电流对电网的危害。有源滤波装置主要由电力电子元件构成，随着电力电子技术的飞速进步，未来有源滤波技术的发展空间将十分巨大。通过以下三种加装有源滤波器的设计方案，可以达到治理谐波的目的：

4.4.1 串联有源电力滤波器。串联有源电力滤波器，产生相反的谐波电压，使负载端交流侧电压变为正弦波。

4.4.2 并联有源电力滤波器。并联有源电力滤波器产生相反的谐波电流，抵消原电线路中的谐波电流。

4.4.3 同时串、并联有源电力滤波器。并联APF与串联APF的混合型方案中的APF1阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流进入电网，APF2吸收负载的谐波电流，在电网与连接点间同步实现净化电压和电流的目的。

5 结语

随着电力电子技术的飞速发展，在现有谐波源的基础上还将会出现更多新的谐波源，这就需要我们在谐波治理工作中更为积极主动。因此，今后有源滤波技术和有源滤波装置的开发与利用将成为谐波治理领域的发展重点。谐波治理是一项漫长的工作，需要我们长期

关注。

参考文献

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（责任编辑：秦逊玉）