谐波的危害及其检测、治理方式浅析

李国栋

【摘 要】电网中电气设备的正常工作还会受到谐波的各种影响，并导致继电保护装置发生误动作，严重时电气设备还会遭受损坏，同时，输电线路和电气设备还会产生附加损耗，导致电力系统输配电效率大大降低。

【关键词】谐波；检测；治理

1 谐波的危害

谐波作为电网负载的副产品，对电力网络有较多的不利影响，谐波的危害主要有以下几个方面：

1）对补偿设备的不利影响

补偿电容器与其他设备之间存在并联关系，在谐波电流的作用下，二者之间往往会发生并联谐振，产生过电压和过电流，造成熔丝熔断或者电容器损毁。另外，谐波会使电容器的功率损耗增大，长期作用会大大降低设备绝缘性能，进而危害设备安全运行。

2）对电缆的影响

由于谐波电压的存在，必定会增加电缆的介质损耗，这对电力电缆的绝缘而言是非常不利的因素，会降低绝缘质量，进而造成运行中单相接地故障明显增多，严重影响生产的顺利进行；另外，当导线的直径比较大时，集肤效应会比较明显，谐波电流流经导线时使谐波频率下的电阻增大，进而使谐波产生的附加损耗增大并引起无功功率增大，降低了功率因数，进一步增大了损耗，降低了供电效率。

3）对断路器的不利影响

由于断路器的阻断能力是按照正常的工频电压电流设计的，当谐波较多时，会严重影响断路器磁吹线圈正常工作，大大降低断路器的阻断能力，严重威胁系统的安全运行。

4）谐波可增大供电系统发生谐振的几率

用户端母线汇集了大量的谐波源，除此之外还连接有电缆、变压器、电容器以及电动机等众多负载，由于这些设备运行中的状态时随时发生变化的，随之而来的是有时可能会满足谐振发生的条件，增加了发生谐振的几率，当谐振发生时，将会造成电力系统电压陡增形成过电压，使继电保护装置误动作而发生跳闸，严重时会造成击穿绝缘造成接地事故的发生。

5）对变压器的影响

谐波电压增大了变压器的磁滞损耗和涡流损耗，绝缘材料所承受的电气应力变大，铜耗对变压器来说是一种比较严重的损害，谐波电流增大了这种损害，对换流变压器更为严重，这是由于装在交流侧的交流滤波器对谐波起不到抑制作用，谐波电流能够流过换流变压器。

6）使计量装置产生误差

50赫兹工频正弦波形，是我国电能计量装置设计的标准，在正常条件下可以正确的计量，但是由于电力系统有很多的电力设备会产生谐波，谐波会干扰电能表的正常工作，这种干扰对于感应式、电子式电能表来说更加明显。当谐波通过电表时，真正使电能表有效工作的电能是基波电能与部分谐波电能的差，这就使电能表的记录出现误差。除了电能表之外，其它感应系电表都会受此影响。

2 谐波检测方法

谐波治理的前提是对谐波的有效检测，即快速性与准确度，谐波治理效果的好坏与此密切相关。所以，选择合理的谐波检测方法是有效进行谐波治理的首要条件，目前常用的谐波检测方法主要有以下几种：

1）傅里叶变换算法

对信号进行快速的傅立叶变换，从中剔除基波分量然后对其余的分量进行反变换，得到的时域信号便是谐波电流信号。

2）FBD检测法

这种检测方法的特点是把电路中各相负载视作串联的等效电导，而且这些电导消耗了电路中的所有功率，然后根据这些等效电导与电流的关系测算出补偿电流的大小，这种方法的优点是可以把复杂的系统简单化，便于分析计算，实用性强。

3）同步测定法

具体又分为等电流法、等电阻法和等功率法，即：按一定规则将补偿分量补偿到三相中去，补偿后，使每相的电流、电阻或功率相等。该方法的关键在于算出系统的平均功率，并使之平均分配于三相之中。使用该方法补偿后，电流与电压相位一致且都为正弦波，这样也就使谐波分量基本被消除。另外，该方法的特点是还可以帮助提高功率因数，进而减少了损耗，提高了供电质量和效率。

4）瞬时无功功率法

根据三相变换为两相的理论，首先，对三相电压和电流进行变换，使其变成两相的正交系统， 然后推算出有功功率与无功功率的瞬时值。低通滤波后的直流分量经变换即可得到两相的基波电流，然后再进行反变换，两相还原为三相便得到基波电流，最后电流总量中将其减掉，结果便是谐波电流分量。

3 谐波治理技术

从预防及治理的角度来分，谐波治理技术主要有两种，一种侧重预防，一种侧重治理。

3.1 主动谐波治理技术

主要有利用高功率因数变流器、使变流装置增加相数或脉冲数、应用脉宽调制技术等几种方式。

1）高功率因数变流器

由于四象限变流器、矩阵式变换器等设备的技术特点，比如不需要中间直流储能环节、具有优良的输入电流波形和输出电压波形等诸多优点，它们进行变流时产生的谐波比较少，利用这些高功率因数变流设备可明显的从源头减少谐波的产生。

2）使变流装置增加相数或脉冲数

相数或脉冲数越多，产生的谐波越少，可以据此对变流设备进行适当改造，例如有的换流变压器之间存在一定的移相角，可以用于增加相数；增加脉冲数量的整流技术（有多脉整流、准多脉整流）。

3）应用脉宽调制（PWM）技术

脉宽调制（PWM）技术具有控制简单、灵活和动态响应好、提高网侧功率因数以及降低整流负载注入电网谐波等优点，因而可以大大降低变流设备产生的谐波量。

3.2 被动谐波治理技术

1）无源电力滤波器（PPF）

PPF也就是LC滤波器，由谐波电容器和电抗器组成，是一种应用广泛的谐波治理及无功补偿装置，它与谐波源并联运行，不仅可以吸收谐波电流， 同时还可以进行无功补偿。PPF主要包括单调谐、双调谐及高通滤波器，一般在谐波源周围、公用电网节点装设单调谐和高通滤波器，用于吸收谐波电流、进行无功功率补偿，无源滤波器成本低、安装维护较为方便，所以得到了广泛的应用。

2）有源电力滤波器（APF）

与PPF相比，APF结构上采用晶体开关管动态的控制谐波补偿，这种结构可以使其的滤波性能不受系统阻抗的影响，系统结构即使发生了变化也不会影响滤波效果，还可以避免与系统发生串并联谐振，一台装置即可完成多次谐波的治理工作，由于原理的优越，可以动态、迅速的响应系统谐波频率及幅度的变化，另外，APF还可以实现无功补偿、负序补偿，补偿类型多样化。

3）混合型有源电力滤波器（HAPF）

顾名思义，HAPF兼具上述两种滤波器的优点：既有PPF安装维护方便、性价比高的优点，也有APF结构更加先进、性能更加优越的优点，更符合工程的实际，应用范围更广。尤其是注入式HAPF的注入支路使有源部分的容量显著减少，这种特点使其应用范围扩展到了高压配电网系统，此外，HAPF实现谐波治理的同时还可以兼顾无功补偿。

4）统一电能质量调节器（UPQC）UPQC包含两部分，一部分是串联型APF，另一部分分是并联型APF，UPQC是由这两部分组合而成的，直流侧电容器被这两部分共用， 其中，串联型APF与串联变压器连接，经串联变压器向电网输出补偿电压同时注入交流功率；并联型APF与并联变压器连接，经并联变压器向电网输出谐波补偿谐波电压，并且，当并联型APF的变流器处于整流状态时，会对蓄电池组进行充电，此时，并联型APF还可以向电网输出无功功率，进行谐波治理的同时兼顾无功补偿。

【参考文献】

[1]郭世飞.动态无功补偿与谐波治理装置的研究应用[D].保定：华北电力大学，2011.

[2]孙化龙.全数字化APF谐波检测系统的应用研究[D].沈阳：东北大学，2010.

[3]丁伟.基于空间矢量调制的矩阵式变换器的研制[D].湘潭：湘潭大学，2002.

[责任编辑：田吉捷]