摘 要：諧波是電網(wǎng)的公害，嚴(yán)重影響供電的質(zhì)量，甚至?xí)斐芍卮笫鹿实陌l(fā)生。文章對(duì)諧波的產(chǎn)生作了簡述，進(jìn)而分析諧波對(duì)電氣設(shè)備造成的危害，最后提出諧波治理的方法。

關(guān)鍵詞：諧波；危害；濾波；治理

1 諧波的定義

諧波是指電路中所含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，是對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，所有大于基波頻率的電流所產(chǎn)生的電量，諧波次數(shù)多為正整數(shù)。

2 諧波產(chǎn)生的原因

供電系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)、電器設(shè)備的分布以及非線性設(shè)備的使用都可能產(chǎn)生大量的諧波。電源本身產(chǎn)生的是諧波電壓。發(fā)電機(jī)因結(jié)構(gòu)缺陷，使磁力線在電樞表面呈非正弦的分布，在繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢和感應(yīng)電流也偏離正弦波形。多個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。供配電線路、設(shè)備的對(duì)地電容與網(wǎng)絡(luò)中的感性負(fù)載發(fā)生的諧振，不但產(chǎn)生了一定頻率的諧波輸入到電網(wǎng)中，更可將電網(wǎng)中的某諧波放大，而影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

非線性負(fù)載是諧波電流主要產(chǎn)生源。對(duì)于各種工業(yè)用變頻換流設(shè)備，電氣化機(jī)械設(shè)備，電弧爐及節(jié)能照明燈具、家用電磁爐、微波爐等非線型設(shè)備，均因其工作時(shí)產(chǎn)生的尖頂電流，使電源電壓的正弦波形發(fā)生畸變。線性負(fù)載工作時(shí)，因其總阻抗不產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，使其工作電流與電源電壓波形相同；而正弦電壓加壓于非線性設(shè)備時(shí)，因動(dòng)態(tài)阻抗影響使其工作電流產(chǎn)生非正弦尖頂現(xiàn)象形成諧波電流。非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波頻率均為工頻頻率的整數(shù)倍。

3 諧波的危害及治理

3.1 危害

理想的電源應(yīng)該是頻率固定，幅值符合規(guī)定的電壓。諧波電流和諧波電壓對(duì)供電網(wǎng)a絡(luò)產(chǎn)生污染，惡化用電設(shè)備的環(huán)境，使設(shè)備之間產(chǎn)生干擾，其危害表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1.1 企業(yè)電費(fèi)增加。電網(wǎng)中諧波產(chǎn)生的功率多為無功功率，使系統(tǒng)帶負(fù)荷能力下降，增加了電力運(yùn)行成本。

3.1.2供電設(shè)備故障率增加。供電電壓因諧波使波形變尖而峰值增大，導(dǎo)致交流電磁設(shè)備鐵損增加，并且使絕緣材料承受的對(duì)地電壓增大。諧波電流增加了交流電磁設(shè)備的銅損，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生較大的電磁噪聲、絕緣老化加速和局部過熱等現(xiàn)象，縮短電氣設(shè)備壽命，降低供電可靠性，甚至在生產(chǎn)過程中因斷電而造成嚴(yán)重后果。

3.1.3 供電質(zhì)量下降。電網(wǎng)中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、整流變頻電子設(shè)備（諧波源）、電力電容器、電纜等設(shè)備，因經(jīng)常性的移設(shè)安裝，而構(gòu)成串并聯(lián)的諧振狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)某一頻率的諧波形成振蕩時(shí)，使諧波得到放大，在供電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生過電壓、過電流現(xiàn)象，而危及系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行。

3.1.4 電氣設(shè)備工作異常。諧波頻率的增加會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組中的電流趨膚效應(yīng)增加，渦流與磁滯損耗增大。設(shè)備溫升因內(nèi)部損耗增大而過快，降低工作效率，限制了工作條件。諧波過電壓會(huì)使泄漏電流增加，在其反復(fù)沖擊下定子繞組的絕緣性能不斷降低，導(dǎo)致放電或擊穿。而諧波電流產(chǎn)生的脈動(dòng)電磁轉(zhuǎn)距，因負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩的增加產(chǎn)生了轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象，并產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁噪聲。所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備因共振增強(qiáng)而造成機(jī)械扭曲變形，機(jī)械疲勞加劇、工作溫度升高降低機(jī)械強(qiáng)度及至設(shè)備損壞。軸承因諧波引起的較大諧波軸電壓擊穿軸承油膜而損傷，增大機(jī)械損耗縮短電機(jī)的壽命，甚至直接損壞電機(jī)。諧波導(dǎo)致變壓器工作性能嚴(yán)重下降，在全星形供電系統(tǒng)中，變壓器中性點(diǎn)裝有接地并聯(lián)電容器，或電網(wǎng)中分布電容較大時(shí)，易形成3次諧波諧振，增大其附加損耗，而影響其運(yùn)行的可靠性；諧波電流不但使變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，還會(huì)使這些部件因電磁力的作用，而加劇機(jī)械振動(dòng)增大噪聲。

3.1.5 繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)。繼電保護(hù)裝置是保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，其工作時(shí)的電壓電流是以正弦工頻的特性設(shè)計(jì)的，而其安裝位置又非常接近諧波源，使繼電器的動(dòng)作特性，極易受到諧波干擾而影響其靈敏性，造成拒動(dòng)或誤動(dòng)，引發(fā)中斷生產(chǎn)及安全事故。其影響大小與繼電器類型及工作原理相關(guān)。

當(dāng)供電線路出現(xiàn)接地短路時(shí)，短路電流中較大的諧波分量，使整流型繼電器因取樣值偏小發(fā)生拒動(dòng)現(xiàn)象。而整流型距離保護(hù)裝置的振蕩閉鎖發(fā)生誤動(dòng)作，是因系統(tǒng)電流中的三相不對(duì)稱諧波，使負(fù)序?yàn)V波器產(chǎn)生較大的諧波輸出，造成整流后的直流脈動(dòng)很大，使繼電保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)。當(dāng)采用電磁型電流繼電器進(jìn)行短路保護(hù)時(shí)，流入繼電器的諧波電流使電磁轉(zhuǎn)矩增加而發(fā)生誤動(dòng)作。諧波電壓對(duì)電磁型電壓繼電器的總阻抗影響較大，諧波電壓使過壓繼電器誤動(dòng)，欠壓繼電器拒動(dòng)。

3.1.6 諧波對(duì)通訊系統(tǒng)的影響。通訊線路與供電線路平行或間距較小時(shí)，使電網(wǎng)中的諧波在電磁感應(yīng)的作用下，耦合到通訊線路內(nèi)造成干擾，使信息失真甚至丟失，嚴(yán)重時(shí)將威脅通訊設(shè)備的正常工作及人身安全。

3.2 治理

諧波治理主要是以減少、消除進(jìn)入電網(wǎng)的諧波電流來進(jìn)行諧波抑制的，通過多重并舉的措施，使其控制在限定值之內(nèi)。

3.2.1 降低非線性設(shè)備的諧波含量。（1）增加整流裝置的輸出脈沖。諧波電流近似與諧波次數(shù)成反比，雖然增加整流器脈沖數(shù)也會(huì)使產(chǎn)生的諧波次數(shù)增加，卻能使諧波源產(chǎn)生的諧波電流相應(yīng)減小。（2）脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。在直流調(diào)速設(shè)備中采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，能使變流器產(chǎn)生小幅值、高頻率諧波，在控制基波幅值的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)低次諧波的抑制。

3.2.2 在諧波源處吸收諧波電流。（1）無源濾波器。無源濾波器是采用R、L、C元件構(gòu)成的諧振電路，安裝在電氣設(shè)備的交流側(cè)，利用LC串并聯(lián)諧振的特點(diǎn)，對(duì)某次諧波形成低阻抗通路，達(dá)到抑制諧波的作用，其濾波效果受系統(tǒng)參數(shù)影響大，并有放大某一次數(shù)諧波的缺點(diǎn)。（2）有源濾波器。采用電子振蕩電路，向電網(wǎng)注入與諧波大小相等相位相反的電流，使電網(wǎng)中的總諧波電流為零。這種補(bǔ)償方法易控制響應(yīng)快，能實(shí)現(xiàn)對(duì)多次諧波的補(bǔ)償抑制，不受系統(tǒng)參數(shù)影響，能自動(dòng)跟蹤諧波變化，具有極強(qiáng)的自適應(yīng)功能。（3）加裝靜止無功補(bǔ)償裝置。諧波源產(chǎn)生的諧波會(huì)使供電系統(tǒng)的電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，影響供電的質(zhì)量。采用靜止無功補(bǔ)償裝置，能有效穩(wěn)定供電電壓。靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置與無源濾波器并聯(lián)，既能滿足無功補(bǔ)償、改善功率因數(shù)，又能消除高次諧波的影響。

3.2.3 其它治理措施。對(duì)電網(wǎng)中改善功率因數(shù)，起調(diào)節(jié)電壓作用的電容器組的安裝位置、容量及與之串聯(lián)的電抗器進(jìn)行控制，可避免其對(duì)諧波的放大作用。開關(guān)電源、變頻裝置采用電源濾波、電氣屏蔽技術(shù)，可阻斷自身與電網(wǎng)間的諧波互擾。消除變壓器空閘合閘時(shí)和應(yīng)涌流的產(chǎn)生，以及電壓互感器的鐵磁涌流，可有效地抑制諧波的產(chǎn)生，但要做好過電壓防護(hù)。

4 結(jié)束語

諧波不但使供電質(zhì)量降低，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中還會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失、運(yùn)算錯(cuò)誤等，甚至使繼電保護(hù)失靈損壞電氣設(shè)備。為提高電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作可靠性、靈敏性，采取多種治理措施相結(jié)合的辦法消除諧波，以確保電力系統(tǒng)安全高效的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]吳國沛，劉育權(quán)，任震.電力系統(tǒng)諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2002，22：78-79.

[2]俞振華.變頻技術(shù)對(duì)功率電動(dòng)機(jī)性能影響分析[J].電工技術(shù)，2011，3：54-57.

[3]何早虹.電力網(wǎng)中的諧波及其抑制技術(shù)[J].電氣應(yīng)用，2005，24：65-69.

[4]張選正，徐智林，張金遠(yuǎn).諧波治理與無功補(bǔ)償技術(shù)問答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：75-93.

[5]賀家李，李永麗，董新洲.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京：中國電力出版社，2010：98-234.

[6]余培炎，馬衛(wèi)平，界金星.變壓器5次諧波的產(chǎn)生及其對(duì)負(fù)序電壓繼電器的影響[J].電力設(shè)備，2004，5：27-30.

[7]張飛，張建超，張?zhí)煊?高次諧波對(duì)電氣設(shè)備的影響及其抑制分析[J].電氣工程應(yīng)用，2009，2：20-21.

作者簡介：劉戰(zhàn)英（1972-），男，陜西榆林人，大專學(xué)歷，高級(jí)技師，神華神東煤炭集團(tuán)維修中心電工技能大師，電工培訓(xùn)師。