談電氣污染——諧波

摘要：電力系統的諧波問(wèn)題早在20世紀二三十年代就引起了人們的關(guān)注。當時(shí)在德，電壓和電流波形的畸變是由使用靜態(tài)汞弧轉換器造成的。1945年里德發(fā)表的關(guān)于變換器諧波的論文是關(guān)于諧波研究的早期經(jīng)典論文.關(guān)鍵詞：電力系統諧波污染

電力系統的諧波問(wèn)題早在20世紀二三十年代就引起了人們的關(guān)注。當時(shí)在德，電壓和電流波形的畸變是由使用靜態(tài)汞弧轉換器造成的。1945年，J.C.Read發(fā)表了一篇關(guān)于變換器諧波的論文，這是一篇關(guān)于諧波研究的早期經(jīng)典論文。20世紀五六十年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了大量關(guān)于電力系統中變流器引起的諧波問(wèn)題的論文。自20世紀70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電力電子設備被廣泛應用于電力系統、工業(yè)，交通和家庭，諧波造成的危害日益嚴重。世界各都十分重視諧波問(wèn)題。世界上已經(jīng)召開(kāi)了許多關(guān)于諧波的學(xué)術(shù)會(huì )議，許多家和際學(xué)術(shù)組織都制定了標準和法規來(lái)限制電力系統和電氣設備的諧波。

供電系統諧波的定義是用傅里葉級數分解周期性的非正弦功率，不僅得到與電網(wǎng)基頻相同的分量，而且得到一系列大于電網(wǎng)基頻的分量，稱(chēng)為諧波。諧波頻率與基頻之比(n=fn/f1)稱(chēng)為諧波頻率。電網(wǎng)中有時(shí)存在非整數次諧波，稱(chēng)為非諧波或分數次諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾，使電網(wǎng)“被污染”。電氣技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的產(chǎn)生、傳輸、測量、危害和抑制，其頻率范圍一般為2n40。

電網(wǎng)中諧波是如何產(chǎn)生的？主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：

較好，發(fā)電源質(zhì)量低產(chǎn)生諧波：很難做到三相繞組絕對對稱(chēng)，鐵芯絕對均勻，還有其他原因，發(fā)電源也會(huì )產(chǎn)生一些諧波，但一般很少。

二、輸配電系統產(chǎn)生諧波：在輸配電系統中，主要是電力干式變壓器產(chǎn)生諧波。由于干式變壓器鐵心的飽和和磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，在設計干式變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟性，將其工作磁密選在磁化曲線(xiàn)的近飽和段，使磁化電流呈現尖峰波形，從而含有奇次諧波。它的大小與磁路結構和鐵芯的飽和度有關(guān)。鐵芯的飽和度越高，干式變壓器的工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性度越遠，諧波電流越大，三次諧波電流可以達到額定電流的0.5倍。

三、電氣設備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設備。晶閘管整流已廣泛應用于電力機車(chē)、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等諸多方面，給電網(wǎng)造成了大量諧波。我們知道，晶閘管整流器采用移相控制，從電網(wǎng)中吸收缺角的正弦波，從而把另一部分缺角的正弦波留給電網(wǎng)，從而把另一部分缺角的正弦波留給電網(wǎng)，這顯然在左邊部分包含了大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，則連接感性負載時(shí)含有奇次諧波電流，三次諧波含量可達基波的30%，連接容性負載時(shí)含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨著(zhù)電容值的增加而增加。如果整流裝置為三相全控橋6脈波整流器，干式變壓器一次側和供電線(xiàn)路含有5倍以上的奇次諧波電流；如果是12脈波整流器，也有11階及以上的奇次諧波電流。統計表明，整流器產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，即 #p#分頁(yè)標題#e#

變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機、水泵、電梯等設備。由于相位控制，諧波成分非常復雜，不僅包含整數次諧波，還包含分數次諧波。這種設備的功率通常很大。隨著(zhù)變頻調速的發(fā)展，給電網(wǎng)帶來(lái)的諧波越來(lái)越多。

電弧爐、電石爐。由于電爐的三相電極在加熱原料時(shí)很難同時(shí)接觸到不均勻的爐料，燃燒不穩定，造成三相負荷不平衡，諧波電流通過(guò)干式變壓器的三角形連接線(xiàn)圈注入電網(wǎng)。其中主要是27次諧波，基波平均820，較大45。

氣體放電電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈屬于氣體放電電光源。通過(guò)對這類(lèi)電光源伏安特性的分析和測量，可以看出其非線(xiàn)性非常嚴重，有的還含有負伏安特性，會(huì )對電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、電腦、調光燈、調溫炊具等。用調壓整流裝置，會(huì )產(chǎn)生很深的奇次諧波。在洗衣機、電風(fēng)扇、空調等帶繞組的設備中，由于不平衡電流的變化，波形會(huì )發(fā)生變化。這些家電雖然功率小，但也是諧波的主要來(lái)源之一。

電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染和正弦電壓波形畸變，導致電力系統中發(fā)電和供電設備出現許多異?，F象和故障。電力系統中諧波的危害是多方面的，可以總結如下：

1.對供配電線(xiàn)路的危害

(1)影響線(xiàn)路穩定運行：供配電系統中的電力線(xiàn)和干式變壓器一般采用電磁繼電器、電感繼電器或晶體管繼電器進(jìn)行檢測和保護，以保證線(xiàn)路和設備發(fā)生故障時(shí)的安全。但電磁繼電器和感應繼電器在諧波影響下不能充分有效地發(fā)揮保護作用，因為10以下的含量高達40%時(shí)會(huì )造成繼電保護誤動(dòng)。晶體管繼電器雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于采用整流采樣電路，容易受到諧波的影響，導致誤操作或拒動(dòng)。這樣，諧波將嚴重威脅供配電系統的穩定和安全運行。

(2)影響電網(wǎng)質(zhì)量：電力系統中的諧波會(huì )扭曲電網(wǎng)的電壓和電流波形。比如民用配電系統中的中性線(xiàn)，由于熒光燈、調光燈、電腦的負載，會(huì )產(chǎn)生大量奇次諧波，其中三次諧波含量較多，達到40；三相配電線(xiàn)路中，相線(xiàn)上3的整數倍諧波會(huì )疊加在零線(xiàn)上，使零線(xiàn)的電流值可能超過(guò)相線(xiàn)上的電流。另外，同樣的頻率

的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費電網(wǎng)的容量。

2.對電力設備的危害

（1）對電力電容器的危害：當電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會(huì )使電容器過(guò)電流和過(guò)負荷,損耗功率超過(guò)上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì )加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，電壓每升高10，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴重的情況下，還會(huì )使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。#p#分頁(yè)標題#e#

（2）對電力干式變壓器的危害：諧波使干式變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使干式變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。同時(shí)由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少干式變壓器的實(shí)際使用容量，或者說(shuō)在選擇干式變壓器額定容量時(shí)需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外，諧波還導致干式變壓器噪聲增大，干式變壓器的振動(dòng)噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著(zhù)諧波次數的增加，振動(dòng)頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加，有時(shí)還發(fā)出金屬聲。

（3）對電力電纜的危害：由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過(guò)電流減小。另外，電纜的電阻、系統母線(xiàn)側及線(xiàn)路感抗與系統串聯(lián)，提高功率因數用的電容器及線(xiàn)路的容抗與系統并聯(lián)，在一定數值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

（4）對用電設備的危害

①對電動(dòng)機的危害：諧波對異步電動(dòng)機的影響，主要是增加電動(dòng)機的附加損耗，降低效率，嚴重時(shí)使電動(dòng)機過(guò)熱。尤其是負序諧波在電動(dòng)機中產(chǎn)生負序旋轉磁場(chǎng)，形成與電動(dòng)機旋轉方向相反的轉矩，起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機的出力。另外電動(dòng)機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會(huì )使電動(dòng)機產(chǎn)生機械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。

②對低壓開(kāi)關(guān)設備的危害：對于配電用斷路器來(lái)說(shuō)，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時(shí)由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生誤動(dòng)作。對于漏電斷路器來(lái)說(shuō)，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現誤動(dòng)作或不動(dòng)作。對于電磁接角器來(lái)說(shuō)，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線(xiàn)圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來(lái)說(shuō)，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動(dòng)作。

（5）對弱電系統設備的干擾：對于計算機網(wǎng)絡(luò )、通信、有線(xiàn)電視、報警與樓宇自動(dòng)化等弱電設備，電力系統中的諧波通過(guò)電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中，產(chǎn)生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過(guò)公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統。#p#分頁(yè)標題#e#

（6）影響電力測量的準確性：目前采用的電力測量?jì)x表中有磁電型和感應型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應型），當諧波較大時(shí)將產(chǎn)生計量混亂，測量不準確。

（7）諧波對人體有影響：從人體生理學(xué)來(lái)說(shuō)，人體細胞在受到刺激興奮時(shí)，會(huì )在細胞膜靜息電位基礎上發(fā)生快速電波動(dòng)或可逆翻轉，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會(huì )直接影響人的腦磁場(chǎng)與心磁場(chǎng)。

現我對諧波的控制，我已于1993年頒布了限制電力系統諧波的家標準《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》，規定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶(hù)向公用電網(wǎng)注入諧波電流的允許值，電力系統方面也做了大量的防止高次諧波入侵電網(wǎng)的各項措施，愿我們的電網(wǎng)越來(lái)越高效、穩定、安全運行！

來(lái)源：中電力諧波監測及濾波工程技術(shù)網(wǎng)