工业配电系统谐波产生的原因分析及抑制措施

赵 凯

（昆岳互联环境技术（江苏）有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

在工业配电系统中，主要采用多种电力电子装置，通过装置的设定变换电路形态，从而为用户提供更为高效用的电能，但随着各种设备的接入，交直流传动等设备会增加整体电力系统的负荷，导致无法维持工业配电系统稳定运行，使得功率因数下降，产生谐波。谐波的产生会抑制系统电能的产量和质量，增加损耗，从而无法对应经济效益产出的要求，因此下文将重点分析谐波产生的原因，并结合其现实危害给出对应的意识措施，以为后续研究提供可靠性资料。

1 谐波产生的原因

谐波指的是经过傅立叶级数分解周期性交流分量，从而得出一个频率大于基波频率整数倍的数值。工业配电系统中产生谐波的源头集中在荧光灯和变频器上，在静止拱弧变流器的作用下会产生畸变的电流波形和电压波形，在后续电子电力设备的使用中运用变频技术也会导致生成谐波。变频器作为为风机、水泵以及锅炉等提供能源的设备，其需要将各种频率的工频电转变为交流电，将直流电逆变成频率能够随时调节的三相交流电，使用交直交变频器完成以上工作[1]。荧光灯属于严重非线性的伏安特性设备，能够产生较为严重的谐波电流，并且其中含有含量最高的3次谐波，在接成三相四线制负载的环节中，较多个荧光灯上的中性线会经过电流较大的3次谐波。

1.1 电力电子元件方面

以电力电子元件为基础的开关电源设备广泛应用于生产生活，冶金、矿山或者电器铁道等企业使用的电器中都包含此种设备。此种设备的特点是从电网取用非正弦电流，在所施加的正弦波形电压的作用下电器设备具有无法随之同时变化的特性，呈现出非线性的电压电流特征，无法保证通过电网的电流具备正常的正弦波形，主要以非正弦波形存在，由基波频率和基波共同组成[2]。此外由于此种组成形态产生谐波会导致电压失真，因此在谐波的作用下需要额外向电网提供电能，同时接入非线性设备。

1.2 磁饱和特性装置

对于磁饱和特性装置而言，其中产生谐波电流的位置是励磁回路，由于其具有非线性的特征，在正常工作的前提下额定电压被加入其中，整体工作的铁芯维持在线性可控范围内，因此谐波电流含量相对较低。但随着逐步进入工作饱和区，轻载电压升高会加大谐波电流含量，从而出现较为严重的负载和暂态扰动现象，无法保证变压器的正常工作[3]。

2 工业配电系统谐波危害

2.1 供电线路

在供电线路产生谐波的过程中，由于其具备线电流小和线径细的特点，因此当有大量的谐波电流涌入到中性线时，线体容易产生大量的热能，从而破坏中性线的绝缘功能，会造成短路的情况，而且随着热量的不断提升容易引发火灾等其他危害。此外，在临近效应和集肤效应的作用下，频率增加导致线阻率随之增加，提升了整个供电线路的电能损耗，不符合经济效益控制的要求。

2.2 用电设备

就对用电设备影响方面来看，主要作用于电动机上增加其附加损耗导致工作效率降低，有明显的脉冲转距问题，可能造成机器或设备转轴振动的不良影响。此外由于负序旋转磁场会作用于电动机上，在负序谐波的抑制下会产生与其转动方向相反的转距，因此不利于电动机的处理作用，起到制约的效果[4]。

2.3 电力设备

对于电力设备方面的影响来说，主要考量电容器和变电器两大方面。当谐波电流经过变压器时会出现效率降低、运行发热以及铁芯损耗提升的情况，抑制了变压器的使用时间，缩短了使用寿命，部分变压器还会因为谐波电流的增加产生更大的噪声[5]。对电力电容器而言，当整个系统中出现谐波时端电压逐步增加，电容器中流过的电流也随之增大，结合功率和损耗公式计算求得的电容器损耗也逐渐增大，在谐波含量提升的环境下，若其超过电容器允许条件则很容易导致发生异常发热的情况，严重时还会造成电气过负荷甚至出现爆炸的不良影响。

2.4 继电保护装置

电力配电系统中主要采用自动装置和继电保护装置完成检测保护，从而保证电力线路和电力设备运行的稳定状态，维持整体设备与线路的安全。但由于谐波的参与会导致在故障情况下，检测装置的能动性降低，其给出的具体报告和信息不存在可靠的依据，从而导致自动装置或继电保护装置的误动作，影响了系统故障的控制，导致故障作用范围逐渐扩大。

3 工业配电系统谐波抑制措施

正常配电系统工作状态下，其按照规定的电压幅值和标准频率运行，但随着谐波电流和电压的产生，会对通信和用电设备造成相应的损害，出现设备故障的问题。为解决以上问题，我国电网针对限制电网谐波给出了具体的标准。结合电能质量公用电网谐波标准规定，要确定好整个系统中公共连接点的最小短路容量、第N次谐波电流允许值、公共基准短路容量以及短路容量为SK1时的电磁谐波电流允许值等。为解决目前整个系统存在谐波危害的问题应该集中关心以下两个方面，一是应当具备补偿谐波的装置，二是要能够过滤掉谐波，基于以上要求逐步开展有关谐波抑制措施方法制定的工作。

3.1 加装串联电抗器

加装串联电抗器需要各工业配电系统有关部门和电力部门同时作用，明晰其中可能产生的谐波，放大并联谐振和串联谐振情况，分析在电力电容器组中是否存在以上情况，避免因谐波产生的过电流和过电压等损坏相应的电力设备。相关单位和部门要基于实际存在的谐波情况，配置相应的电力电容器组，从而解决谐波产生的具体危害，提升电力电容器组的工作效率。而在实际工作过程中，有些部门或单位人员没能准确重视这一行为，导致所分析研究的情况不符合现阶段运行的基本状态，因此在后续的管理过程中，应当强化各部门的责任意识，通过培养其形成日常诊断的工作活动，从而保证加装串联电抗器措施应用的效果[6]。

3.2 改良用电环境

电力部门除了在以上工作中强化对电力电网检验的责任意识外，还需要考量符合三相平衡的状态，使用高一级电压或者较大容量的供电点为工业配电系统提供电能，从而降低谐波对电力设备及其系统的作用效用。准确分析3次谐波产生的原因及其危害，利用改善供电环境的方式选择使用更为合理的供电办法有效减少3次谐波。此外，电力系统或电网规划人员需要分析专门的线路，调研所使用的谐波源负荷，避免因谐波影响其他负荷，充分抑制和消除谐波的作用，降低影响效果。

3.3 增加整流相数

通过分析晶闸管三相桥式整流电路可以得到网测电流谐波波形接近于正弦波，而且谐波成分随着整流相数的增加而降低，因此需要管控谐波产生的机理，适当提升整流相数。在整流电路中，只含有N次奇次谐波，对于高次谐波的振幅值而言，只为基波振幅值的1/N，说明谐波次数与振幅值间存在反向关系，即谐波次数越低振幅值越大。

3.4 设置滤波回路

上文提到抑制谐波影响效能的措施之一为选择适当的作用装置，吸收谐波回路中产生的谐波。传统方式使用LC和LR滤波器，但随着技术的不断发展，相应的设备已逐渐革新，目前主要采用有源电力滤波器，将其并联或串联在主电路上，实时检测电流中高次谐波。根据检测所给出的报告信息确定在整个电流作用下是否具有相反的相位电流，分析高次谐波的成分和其输入结果保证能够检验到实时补偿谐波电流的目标，使得整个配电系统中仅含有基波电流。有源滤波器相较于无源滤波器而言，具备快速响应和高度可控的优势，能够准确消除系统阻抗产生的谐振危险，但在使用中所耗费的成本较高，容量也比无源滤波器大。

在实际工作中，需要确保用电的安全可靠性能，提升工业生产的连续程度，因此实际抑制措施施行过程中需要引入两台变压器，在某个变压器出现故障时，另一台能够独立发挥无功补偿的基本效能，起到过滤谐波的作用。同时由于变压器属于大容量的节能电动机，分析其运行工况发现在整个过程中会产生较大的发热量，而发热量会影响电抗器及其他周围电子设备的工作运行效果，所以在实际使用中要单独串联在负荷侧，并在电源侧加装隔离变压器，起到降低运行电流和发热功率的效用，从而提升整个电气元件的运行可靠程度。对于工业配电系统中的小容量变频装置而言，需要独立加设滤波设备，但由于此种设备需要大量的资金，因此一般采用在低压侧母线上加设有源滤波器的方式，通过提升其电源电压的等级，使交流器负载能够达到单独供电的效用，从而降低对谐波的影响范围，确定注入电网的谐波能够满足相应的标准。

3.5 引入检测新技术

为保证后续所选用的抑制措施能够起到相应的效果，需要准确测定谐波值，就目前常用的谐波检测技术而言，主要使用FPGA、FFT以及小波交换结合的方式达到对应的效用。对于基于FPGA的谐波检测法而言，其主要构造为FFT运算处理单元、A/D采样单元、电压电流互感器以及锁相环同步采样控制单元，将Nios嵌入式处理器作为主控器，整个系统使用FPGA内部的控制单元，通过其所具备的采样和数据输出功能处理6路工频输入信号。积极运用FFT运算处理技术，保证使用A/D采样单元能够达到同步采样和扫描采样的作用效果。利用FFT系数傅立叶变换的幅值进行相关算法的处理，会出现频率较为相近的整数和非整数次谐波，单独使用连续小波变换不能够达到对应的分析目标，无法准确判断谐波的具体个数，因此需要将FFT和小波交换结合谐波同时运用。依据两种算法的具体操作方式，使得仿真模式能够准确验证频率相近的谐波，并分离相似谐波，真实反映出谐波情况，保证了检验的精准程度。

4 结 论

通过安装有源电力滤波器和装设谐波补偿装置的方式能够起到抑制谐波影响作用效果的实际效用，在整个过程中应当用多种先进的检测技术确定谐波产生的原因及其对应的波值和个数，从而保证后续所设定的措施能够准确对应。因此，在后续的研究中应当逐步完善检测技术，并积极运用多种方式达到相应的效果。