【摘要】隨著電力電子技術(shù)在各工業(yè)部門和用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)荷數(shù)量越來越多，容量也越來越大，諧波大量注入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)電壓、電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變。由于大多數(shù)儀器、儀表是針對工頻正弦波設(shè)計(jì)的，因而造成指示數(shù)據(jù)不正確。本文對引起供電電能質(zhì)量惡化的原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的治理措施。

【關(guān)鍵詞】電弧爐；諧波；電壓波動閃變；負(fù)序；電能質(zhì)量

一、諧波概述

在電力系統(tǒng)中，總是希望得到正弦的電壓、電流波形，但是由于系統(tǒng)內(nèi)存在很多的諧波源，使得波形往往偏離正弦波形而發(fā)生畸變。即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率整數(shù)倍的正弦分量又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作中時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

二、諧波源

在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)中對發(fā)電機(jī)的接線采取一些措施后，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。

諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備。

1.具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備；2.以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧現(xiàn)象的設(shè)備；3.以電力電子元件為基礎(chǔ)的電源的設(shè)備。

以上這些非線性電氣設(shè)備顯著的特點(diǎn)是他們從電網(wǎng)取用非正弦電流，也就是說即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓，但由于他們具有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓——電流特性，使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波的，這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。接入低壓供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩(wěn)定的諧波電流電指這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化，如視頻顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設(shè)備電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化，稱之為波動的諧波，這類設(shè)備對電網(wǎng)來說是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。

三、諧波的主要危害

1.增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，降低設(shè)備的效率和利用率

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻率電流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。

（1）對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響。諧波對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁帶、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電系統(tǒng)中，用戶的電動機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%左右。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電動機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大。但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸震動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

（2）對變壓器的影響。諧波電流使變壓器的損耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角連接的變壓器會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

（3）對輸電線路的影響。由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應(yīng)電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。

（4）對電力電容器的影響。隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分諧波分量的頻率時(shí)，就會產(chǎn)生諧波放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運(yùn)行，甚至損壞。

2.影響繼電和自動裝置工作的可靠性

諧波對電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾則會引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動，變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓保護(hù)誤動，母線差動保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全進(jìn)行。

3.使測量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確

由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會影響感應(yīng)式電能表的正常工作。

4.干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴，甚至在極端情況下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。

5.對用電設(shè)備的影響

諧波會使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。

四、抑制諧波的主要措施

諧波問題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問題。它不但與供電部門有關(guān)而且還關(guān)系到廣大用戶和電器設(shè)備制造廠的切身利益。

1.增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk（p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù)）。當(dāng)脈動數(shù)由P=6增加?xùn)|歐阿p=12時(shí)，可以有效的消除幅度較大的低頻率，（其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k），從而大大地降低了諧波電流的有效值。

2.加裝濾波裝置

設(shè)法在諧波源附近減少諧波電流，從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法，裝置交流濾波器，交流濾波器能有效地抑制諧波電流，是電網(wǎng)電壓畸變減輕，送電質(zhì)量提高，同時(shí)反過來又使大功率負(fù)荷的效率充分發(fā)揮，壽命相對延長，濾波器提供的容性無功，還有一定的無功補(bǔ)償作用，使系統(tǒng)的功率因數(shù)提高。

結(jié)束語

隨著以電力電子裝置為代表的非線性負(fù)載的大量使用，以微機(jī)化為代表的各種復(fù)雜精密用電設(shè)備不斷普及，用戶對電能質(zhì)量的要求不斷提高。供電系統(tǒng)中的諧波問題已引起各界廣泛關(guān)注，為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、和諧的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。