电力系统设计中的谐波分析

李启虎

摘 要：随着电力系统装机容量不断加大，以及电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降。此外，谐波还将引发电力设备发热、电压或电流谐振、电气设备损坏等问题。

关键词：电力系统;谐波;治理

1 电力系统谐波产生的原因

电力系统出现高次谐波的主要原因是：电力系统中一些设备或负荷的非线性特点，简单来说就是电压与电流不成正比关系致使波形畸变。在电力系统为非线性设备或负荷供电时，设备或负荷在传递、变换、吸收系统发动机供给的基波能量时，将其转换为谐波能量，向电力系统输送了大量高次谐波，导致电力系统正弦波形出现畸变，从而影响电能质量。

当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。非正弦波可用傅立叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波。电力谐波对电力网（包括用户）危害是十分严重的，它是一种电力污染。

由于线路、荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

2 谐波对电力系统的影响

2.1 对电力电容器的影响

电力谐波可能致使电力电容器出现过热、破损等问题，也可能致使电力电容器出现故障，同时还会影响电容器的使用寿命。首先，若并联电容器在电容器组回路阻抗为容性，将放大谐波电流。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

2.2 对电力变压器的影响

谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。

2.3 对继电保护与自动装置的影响

输电网中的谐波不仅会影响变压器的正常运行，还将影响继电保护与自动装置的正常运行，进而影响整个配电网的安全、稳定运行，因此需严格控制输电网中的谐波。

2.4 增加输电网的功耗

谐波属于干扰能量的一种，因此输电网中的谐波将影响输电线路的功耗。简单来讲就是谐波将增加输电线路的功耗，从而影响输电线路的输电效率及节能效果。因而，为提高输电网的输电效率，提高其供电质量，需严格控制、消除电网中的谐波。

2.5 对电力电缆的影响

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

2.6 对用电设备的危害

对电动机的危害  谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。

3 电力系统谐波治理方法

想要最大限度的减少电力系统的损失，就要研究电力系统中的谐波治理方案。

3.1 在电力系统中加装交流滤波器

当已经确定谐波源设备以后，在近距离谐波源处安装滤波器是防止谐波电流注入电网的最有效办法。在谐波源附近加装有源滤波器 在谐波源处安装有源滤波器，它会向电网中注入与原有谐波电流幅值相等、相位相同，方向相反的电流，从而使电源的总谐波电流抵消为零。从而获得一正弦波。

3.2 加隔离变压器

隔离变压器可以消弱均衡的三次谐波电流传回到电源。通常在这种变压器的使用者会装设一个旁路的电路以避免在进行变压器的维护工作时长时期对负荷停止供电。使用隔离变压器的时候要适当提高额定值，否则也会产生电压畸变和过热。

3.3 在无功补偿的同时加装电抗器

将特定电抗百分率的串联电抗器配置到并联电容器组中，一般是用来限制谐波对电容器的危害及治理，以及改善电网电压波形的。谐波在电力系统中造成的各种电力污染，严重威胁着电力系统的安全运行，要长期坚持对电力谐波的治理措施才能从根本上改变电力现状，提高电力系统运营的安全性。

3.4 整流变压器采用Y/或/Y接线

此种方法可消除电流中的高频率谐波，通常此方法被用在三相整流变压器中。其工作原理为，将谐波形成电流，从而实现减少、消除谐波，提高供电质量的目标。

3.5 整流电路的多重化

目前，此种方式是减少整流电路中低频率谐波的重要方法，其原理是通过增加方波，形成与正常波形相似的波，随着方波叠加数量的增加，其波形将与正常波形越来越相似。假如将此方法和脉宽调制技术融合在一起，可有效消除整流电路中的低频率谐波。

3.6 安装TSC动态无功补偿器

TSC动态无功补偿器可进行三相对称、分相动态无功补偿与滤波。其是利用控制晶闸管的通断自动投切电容器组，投切速度较快，并且过零投切可有效解决传统设备的合闸涌流与断电弧光等问题，投切频率并不会影响晶闸管的性能。TSC动态无功补偿器是由控制器、双向晶闸管、放电电阻、电容器等构成的。控制器可实时检测负载功率因数、无功电流，并且將其与设定值进行对比，动态控制投切不同组数的电容器，确保功率因素符合相关标准。现阶段，动态无功功率补偿器产品均采用智能微计算机全数字控制。电压、电流、功率因数等均采用数字显示。同时，其可与智能化电气设备配套安装，以实现远程监控目标。

3.7 安装电涌保护器

当单级电涌保护器不能将入侵的冲击过电压抑制到规定保护电平以下时，就要采用含有二级、三级或更多级非线性抑制元件的电涌保护器。

非线性元件Rv2和Rv2都是压敏电阻，实用中RV1也可以使气体放电管，RV2也可以是稳压管或浪涌抑制二极管（TVS管）。两极之间的隔离元件Zs可以是电感Ls或电阻Rs，若RV1和RV2的导通电压分别是Un1和Un2，所选用的元件总是Un2> Un1。

有人认为，当入侵冲击波加在X-E端子上时，总是第一级RV1先导铜，然后才是第二级。实际上，第一级或第二级先导通都是可能的，这取决于以下因素：

（1）入侵冲击波的波形，主要是电流波前的声速（di/dt）;

（2）非线性元件Rv1和RV2的导通电压Un1和Un2的相对大小;

（3）隔离阻抗Zs的性质是电阻还是电感，以及它们的大小。

4 总结

电力谐波将对电网造成污染，影响电力系统的稳定运行。因此，要建立先进可靠的电能质量监测网络，及时分析和反映电网的电能质量水平，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。