浅析供电系统中谐波产生的危害及防范策略

张生龙

摘 要：对供电企业常规生产而言，由于电网输配电系统中的设备铁芯磁化曲线的非线性或非线性负荷以及电网中各种电气设备中的电子技术应用，会产生不同程度的谐波，一些谐波频率将一定程度上干扰生产设备，继而对生产运行构成影响。为此，本文分析了谐波产生的原因及危害，对此采取防范措施，规避谐波的干扰，保障供电系统的正常安全运行。

关键词：供电系统；谐波；危害；防护

中图分类号：TD611 文献标识码：A

供电系统运行中，由于有许多电子设备应用于生产控制过程中及其他谐波源的存在，将会产生谐波。谐波频率超过一定的标准，将会干扰设备，进而扰乱设备正常运转。谐波不利于设备正常功能的发挥，使得设备绝缘老化速度变快，进而酿成安全事故。為将谐波干扰抑制在有效范围，需要分析谐波形成的原因与危害，考虑到供电系统实际运行状况，采取相应的防护手段，将谐波产生的危害降至较低，维持电力系统运行的安全。

一、供电系统中谐波形成缘由

谐波即电流中包含的频率，其电量是基波的整数倍，通常以傅里叶级数对周期性的非正弦电量实施分解，在其他方面，导致基波频率的电流形成电量。供电系统从实质上看，出现谐波多为非线性负载。也即电流在通过负载过程中，添加的电压未表现出正常的线性关系，生成了非正弦电流，使得供电系统中生成许多谐波。因为供电系统中的极管与半导体晶闸管表现出鲜明的非线性特征，此外，供电系统中的部分电力设备生成比较大的背离正弦曲线波。主要在于供电系统中谐波电流的生成和功率转换器具有十分紧密的脉冲数关系。可这样认为，功率变换器在供电系统中具有不断增多的脉冲数，最低次谐波分量的频率呈现不断增高的趋势。另外，供电系统中的其他耗能装置也会形成谐波。如，荧光灯的电子控制调节器形成的谐波是比较大的。可见，只要有谐波源的地方就会形成谐波，谐波分量也有可能通过供电网络传输到用户网络。例如供电网络中的一个用户设备产生的谐波可能会干扰到另一个用户设备的运行。从中可以看到，供电系统中谐波具有多方的形成因素，阻碍了供电系统的正常运行。为此，供电部门需要结合谐波形成因素，运用有效的应对措施，将谐波对供电系统造成的危害降至最低，为供电系统的安全运行创造良好的条件。

二、供电系统中谐波产生的危害

谐波产生的危害是多方面的，导致电力系统电压产生畸变；扰乱通信线路；导致电力设备产热，从而造成附加损耗，效率不高；处在特殊参数系统中，形成谐振；在保护监测装置与继电保护装置方面，使得它们的可靠性与精度变低，严重时酿成系统事故；针对相同频率的谐波电压与电流，彼此间产生作用，进而生成了谐波功率。考虑到这种情况，要求我们高度重视谐波造成的危害。

1.干扰通信线路

如果通信线路接近输电线路，线路间的静电感应与电磁感应于周围生成磁场，磁场彼此耦合一起，在通信系统内部，谐波的分量出现了声频干扰，使得信号强度越来越弱，导致传输质量变低，严重时对信号传输与通话构成影响，甚至还会对人身和设备的安全构成较大影响。

2.干扰电力变压器、电容、继电保护装置

首先针对电力变压器，谐波电流的形成使得损耗增多，出现震动和噪音等情况；如果励磁电流中出现谐波电流，电流在合闸涌流中的数值变大，对变压器的安全运行是不利的；谐波电压的出现，将产生磁滞与涡流损耗，此外，电压三相数值较高或不对称，谐波分量变多，继而使得局部放电与介质放电变大。其次，对电力电容器的影响。配电系统中的非线性负荷所占比例较大时，在使用并联电容器过程中，因为存有谐波电压与电流，使得设备产生较大的热量，继而损坏了设备，缩短了设备使用寿命。为此，谐波电压与电流谐波超过标准，均会出现异常情况。再有，对继电保护装置的危害。继电保护装置在正常运行状态中，谐波电压与电流变大时，使得过电压与过电流的保护装置产生错误动作，甚至干扰负序滤过器的保护装置。随着电力行业的发展，信息技术的应用越来越普遍，其中微机保护装置已成为供电系统中重要的一部分，该装置的应用，很大程度上提升了继电保护的智能性和安全性，但是在谐波的影响下，也是比较容易出现测量误差的，继而使得装置出现拒动与误动。

3.干扰电机运行

在我们露天煤矿的生产中，很多设备的操作是离不开电机驱动的，当谐波电流通过电机过程中，电机频率不断变大，磁滞与涡流也在逐渐增大，使得铁芯与绕组中的附加损耗变得越来越大，致使设备机械震动变强与电机噪声变大。电机负荷在供电系统中为全部负荷的4/5，为此，谐波产生了较大的额外损耗。通过实践能够看出，如果电动机的负序电压为额定电压的3%时，使得其寿命缩短一半。

4.干扰电力用户

谐波在危害电力用户方面是双向的，一方面，系统会产生污染，对系统本身的安全构成影响，另一方面，当用电设备与所污染的电源连接在一起，一定程度上影响系统的安全性。谐波的形成，致使晶闸管与控制回路产生错误动作；在电容器与带有感性负载的相互作用下，产生谐振，对电容器构成损害；改变了电视机与计算机的图形形状，同时使得数据处理操作系统出现不正确操作。

5.增加输电线路的损耗

输电线路的损耗会因为谐波的影响而增大，三相供电系统中的中性线的电流也会受谐波影响而增大，进而出现中性线过载的情况。当产生谐波的设备与输电线路中的对地电容等组成串联或并联回路时，在特定的情况下，会出现串联或并联谐振，谐振发生时所产生的过电流和过电压对输电线路中的设备危害是很大的。

三、供电系统中谐波的防护策略

1.报装把关与验收检测

我国电力法做出明确规定：“用户用电不得对用电秩序与安全构成危害。”《供电营业规则》规定：“对注入电网的谐波电流过程，当正弦波畸变超出标准，要求用户采取措施规避。”对供电部门而言，在用户用电报装过程中，需要对用电性质与设备进行充分了解；在供电方案确定过程中，一定要对谐波设备做出认真核对，构建设备台账，一些用户具有很大的谐波设备容量，需要具备谐波危害评估报告；在设计图纸审查过程中，需要对系统设计做出全面考虑，确保使用的设备谐波不超过允许标准。谐波评估报告对谐波提出治理要求的，设计方案需要将此考虑在内，并实施监测，谐波治理通过测试，符合要求后才能进行供电。

2.增装动态无功补偿装置

在无功补偿装置电路中将一个低通滤波器（由电容器与串联电抗器构成）设置在无功补偿装置电路中，当处在最低谐波条件下实施调解，导致整体系统出现协调。为将谐波对供电系统造成的影响减至最低，比较彻底的方法是，以减少谐波电流的形式使谐波影响得以减少。在谐波危害防治上，可将传统的滤波方法应用其中，或者将无功补偿装置应用其中，实现补偿，进而将谐波电流减少，并对功率因数进行补偿完善。

3.减少谐波的技术

发电部门需要将发电机工艺水准提升到一个较高层面，确保铁心具有良好的均匀性，从根本上减少谐波的出现，此外，还要检测输送的电流，不要将电厂谐波送至供电部门。在供电部门看来，是一定会产生谐波的，包括发电部门与用电部门的谐波，此外，自身形成的谐波也是一方面，需要借助一定的技术手段，强化检测，及时进行把控，为确保三相负载平衡，采取一些措施，如，加大供电设备的容量，将电网抗谐波能力提升到一个较高水平。另外，定期组织开展谐波测试工作，仔细分析谐波超标的变电站或线路，找到谐波源，安装有关设施，将谐波减至基最少。如：①使用L，R，C元件组成的谐振回路，避免相近频率的谐波进入到电网中，将无源滤波器添加到电力电子设备的交流端点；②把静止无功补偿装置以并联的方式安装在谐波源处，可减少三相电压的不平衡，使功能因数得到改变等，使供电系统获得较高的谐波承受能力；③使用能够控制功率的半导体器件把既有谐波电流相位相反、幅值相等的电流注入电网中，让电源的总谐波电流接近于零，实现谐波电流的及时补充；④改装电容器组的一些支路，变成滤波器，获得使用限定电容器组投入容量的形式，防止电容器将谐波放大。

4.降低谐波含量

供电部门需要采取有效手段，将谐波含量减至最低，可使谐波电流对供电系统产生的危害减至较少，起到谐波电流抑制的作用，这种治理方式比较有效，可提升电网质量，节省供电系统运行成本，减少费用的开支。首先，供电部门以增加整流器脉动数的形式，以此平滑波形，可将谐波减至最少。其次，供电部门将脉宽调制方法应用其中，运用PWM，在所需频率周期范围不变的条件下，合理调整直流电压，生成的交流输出电压脉冲为等幅不等宽，进而起到谐波抑制的作用，把谐波对供电系统造成的危害减至最低。最后，供电部门有效运用三相整流变压器，以△/Y或Y/△的接线形式进而实现谐波的控制，防止谐波危害供电系统。综上，供电部门使用以上手段，将谐波含量降至较低，从根本上规避谐波，以此对谐波进行有效治理，维持供电系统的正常运行。

5.强化谐波管理，践行相关国家标准

《谐波电流发射限值》（GB17625）将小型电器设备按谐波电流限值分为了四类，该项标准给出的规定，还有试验电路与对测量设备的要求等。供电部门和用电户要严格执行相关规范标准，在输送电和用电环节中强化谐波管理，把谐波对电网的影响控制到最小。

四、电网谐波治理的措施

1.强化企业内部的管理

①针对电网造成的危害，进行全面了解，构建完善的谐波治理体系。

②强化对谐波治理工作，并进行常态化管理，在常规生产管理中纳入谐波管理，以制定《客户端谐波管理办法》的形式，确保諧波管理具有明确的管理机构与标准等，在制度层面上对谐波强化监督与管理。

③在客户间构建良好的关系，维持高质量的服务。在谐波治理过程中，用电客户是不可或缺的一部分，奠定了谐波治理的基石，将谐波的危害普及给大众，征得用户的配合。

④严格按照标准，定期测试电网的谐波含量，监测用电设备中注入的谐波电流，针对已超过国家标准的设备，做出一定的经济处罚，强化设备监管，依照相关政策处置超标用户。

⑤系统分析管辖的电网，确保测量无误，明确谐波产生原因及所处位置，为谐波治理的进行提供详尽的原始材料；针对一些谐波较大处，设立长期观测站，稳定可靠地收集数据，并采取针对性的措施进行规避。

⑥针对一些用户超出规定允许值的情况，进行专线供电，将谐波保护与监测装置设置其中，针对已经和公用线路供电对接的，在一年时间内，需要用户进行完善。

⑦监测站定期检测现有谐波，不断构建完善的技术档案，隔两年进行一次全面核查，及时处置存在的问题。

⑧如果用户谐波在规定值以上，线路开关跳闸，供电部门谐波专门负责人以书面的形式告知用户在规定的期限内进行治理。

⑨新装入的谐波保护装置需要包含两种启动软件，一种是电流启动软件，另一种是电压启动软件，依照规定标准，整定保护定值。于供电部门变电站出口处设置保护装置。

⑩强化用电检查力度，对存在的电能质量污染源，用户补立档案，当地治理谐波源。

2.强化增容谐波源用户的管理

报装接电的设计审核时，增容的谐波源用户一定不可缺少谐波审查项目，针对谐波超标的情况，使用相应的防治措施。对增容的谐波源用户，其使用的供电电压要具有合理性，尽量维持三相电压的平衡。工程交接验收试验时，增容的谐波源用户一定不可缺少监测站的谐波测试报告。当检测结果超出标准，是不能够和供电网络连接运行的。

3.强化电容器组的管理

①在电容器组设置过程中，要求设计部门以连接点的电网参数为依据，对谐波谐振与放大的可能性进行核算，根据需要，对谐波阻抗与背景谐波电压进行测量，同时进行认真核算。针对一些电力设备的容量比较大的情况，尤其电容器组的容量较大时，可将限流装置设置在回路内，防止电力谐波的生成。

②运用电容器实施就地补偿，统一补偿与分散补偿。

③在用户统一安装大型补偿过程中，验收电容器组时，实际测量的谐波电压放大率要在1.5倍之内。不然，使用限制措施，然后再投入使用。

结语

电子技术应用下，设备运行效率得到显著提升，然而也带来了一些负面影响，电子设备运行中形成谐波，不仅是频率不同，对设备构成的危害也有所区别。谐波危害在供电系统中普遍存在，给社会带来了各种危害，不利于设备的稳定运行。谐波是无法避免的，只有采取相应的防护措施，才能将谐波干扰减至较低。上文分析了供电系统内部产生谐波的原因及各种危害，考虑到供电系统实际运行状况，采取防护措施，尽量减少谐波危害，确保供电系统的稳定运行。

参考文献

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