1、諧波危害及抑制諧波的方法(一)摘要：電網中諧波問題日益嚴重，文章對此綜述了諧波危害及抑制諧波的方法。關鍵詞：電網諧波危害抑制技術隨著電網容量迅速增長， 電網運行電壓也不斷提高，國外輸電設備電壓已達10 OOkV我國從2 0世紀8 0年代開始進入大電網時期，輸變設備電壓已達5 0 0 kVo最近開始西北地區黃河上游水電深度開發，國家電力公司已批準建設第一條7 5 0 kV輸電線路。隨著工業、農業和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍增長， 對供電質量及供電可靠性的要求也越來越多， 電力質量(PowerQuality)受到人們的日益重視。例如，工業生產中的大型生產線、飛機場、大型金融商廈、大型

2、醫院等重要場合的計算機系統一旦失電，或因受電力網上瞬態電磁干擾影響，致使計算機系統無法正常運行，將會帶來巨大的經濟損失。電梯、空調等變頻設備、電視機、計算機、復印機、電子式鎮流器熒光燈等已成 為人民日常生活的一局部，如果這些裝置不能正常運行，必定擾亂人們的正常生活。但是， 電視機、計算機、復印機、電子式照明設備、變頻調速裝置、開關電源、電弧爐等用電負載 大都是非線性負載， 都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網，必然污染公用電網，使 公用電網電源的波形畸變，增加諧波成份。近幾年，傳感技術、光纖、微電子技術、計算機技術及信息技術日臻成熟。集成度愈來愈高 的微電子技術使計算器的功能更加完美，體積

3、愈來愈小，從而促使各種電器設備的控制向智能型控制器方向開展。 隨著微電子技術集成度的提高，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導致控制單元損壞或失靈。例如，20世紀70年代計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現誤動作，而無法找出原因。1 9 6 6年日本三基電子工業公司率先開發了模擬脈沖的高頻噪音模擬器，將它產生的脈沖注入被試計算機的電源局部，結果發現計算機在注入10 02 0 0 V脈沖時就誤動作，難怪計算機在現場無法正常工作，其原因之一是計算機的電源受到了污染。因此，受諧波電流污染的公用電源，輕者干擾設備正常運行，影

4、響人們的正 常生活，重者致使工業上的大型生產線、系統運行癱瘓，會造成嚴重經濟損失。國際電工委員會(IEC)已于1 9 8 8年開始對諧波限定提出了明確的要求。美國1EEE電子電氣工程師協會 于1 9 9 2年制定了諧波限定標準IEEE1000。在IEEEstd.519 1992標準中明確規定了計算機或類似設備的諧波電壓畸變因數(THD)應在5%以下，而對于醫院、飛機場等關鍵場所那么要求THD應低于3%。1電網諧波的產生1.1電源本身諧波由于發電機制造工藝的問題， 致使電樞外表的磁感應強度分布稍稍偏離正弦波，因此，產生的感應電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢， 即所產生的電流稍偏離正弦電流。 當然，幾

5、個這樣 的電源并網時，總電源的電流也將偏離正弦波。1.2由非線性負載所致非線性負載諧波產生的另一個原因是由于非線性負載。當電流流經線性負載時， 負載上電流與施加電壓呈線性關系；而電流流經非線性負載時，那么負載上電流為非正弦電波，即產生了諧波。主要非線性負載裝置(1) 開關電源的高次諧波，它由五局部組成：一次整流、開關振蕩回路、二次整流、負載 和控制，這幾個局部產生的噪聲不完全一樣； 一次整流回路噪聲：這是電容輸入型線路，整流脈動電壓要超過C1上的充電電壓，電 流才從電源輸入，電流波形呈脈沖形，對這種脈沖狀電流波進行 博立葉展開后，可以看到： 除 了5 0Hz 基波分量外，還有10 0Hz、15

6、0Hz、200Hz、250Hz、300Hz等高次諧波，這些高次諧波電流全部返回到公用電網中，造成公用電網的波形偏離50Hz; 開關振蕩回路：開關三極管T1一般以2 0 kHz以上頻率頻繁通斷，使電路產生高次諧波。其次L1、L2線圈間有漏感，在T1工作時也會形成噪聲； 二次整流回路噪聲：首先，高次諧波流過L2D5L4C2產生噪聲。電流突變過程中在L2、L4上的反電動勢也會形成噪聲； 控制回路噪聲：在完成控制過程也會產生噪聲。這幾種干擾可以通過電源線等產生輻射干擾，也可以通過電源產生傳導干擾。(2) 變壓器空載合閘涌流產生諧波變壓器空載合閘時，可以列出以下方程：i0R1+N1=&#8226

7、; U1 • sin( w t+ a)求解后得到： 1=一 Qmcos( wt + a) + Qmcos a (1)Qmcos( w t+ a)磁通的穩態分量；mcos a 通的暫態分量。如果合閘時，a=0(既在 卩1 = 0的瞬間合閘)得到： 1 = ©mmcos w t(2 )在合閘后半周期(t=)時，磁通到達最大值1=©1max = 2m。鐵心中磁通波形對時間軸不對稱， 考慮剩磁 0,那么磁通波形再向上移 0,從而使對應磁 化曲線工作點移向飽和區， 因此在磁通變化時， 會產生815倍額定電流的涌流， 由于線 圈電阻R1的存在，變壓器空載合閘涌流一般

8、經過幾個周波即可到達穩定。所產生的勵磁涌流所含的諧波成份以3次諧波為主。(3) 單相電容器組開斷時的瞬態過電壓干擾：如果t = 0時，CE觸頭剛分開，弧電壓很低略去，因此電源電壓U與電容電壓相等，即u = uc。t = t1時，電流為零，電弧熄滅，而電源電壓仍然按正弦變化，經過半周到達正向最大。但是，電容電壓uc= Um不再變化。斷路器CE觸頭間電壓Uj=U Uc = 2Um。當t = t2時，如果此時弧隙介質擊穿， 這一過程可以看為Um直流電源經電感L突然加到 電壓為一Um的電容上，因分布參數產生高頻振蕩，形成高頻電流：ic = 2 • Um • w

9、0 • C • cos w0t, (w0=) 電容器上電壓為：(ic = idt=Um2Umcosw 0t(3 )因此，高頻電流ic經時間第一次過零時，高頻電流被切斷，電容器上電壓Uc = 3Um最大值，如果此時電弧被熄滅，那么Uc將保持3Um不變。t = t3時，Uj=4Um，此時弧隙又出現擊穿，那么電容器電壓可到達5Um值。實際上，由于觸頭間距在開斷過程中不斷增加，因此介質強度不斷增大，當介質恢復強度超過電壓增加速度，重擊穿現象中止，完成開斷，所以電容上過電壓倍數不會到達3倍(上面的討論是假設弧隙重擊穿發生在電流過零后1 0ms，因此恢復電壓到達最大

10、值)。用普通斷路器投切電容器c1時(c1處于20kV線路)，產生1. 8 (p. u )過電壓，導致諧振，諧振卻又在c2處(c2處于6kV線路)產生高于4 (p.u)的過電壓。電力電子調速系統普遍應用于工業中改良電機效率及靈活性設備，調速裝置內電力電子器件對過電壓特別敏感，因此線路中瞬態過電壓會造成調速系統的過電壓保護誤跳閘。由于與中壓母線相連的電容器要經常操作，這意味著調速系統誤跳閘事故會經常發生；(4) 電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國1 0kV、 3 5kV等級的中性點不接地配電網中，為了監視對地絕緣， 一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對地電壓是平衡的，但是由于發生單相接

11、地故障等原因，會導致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感L和系統對地電容C在參數上配合，而產生諧振過電壓。我們先看一下，它是典型的L、C并聯電路°xc=,xL=wL,xc是線性參數，但是xL是非線性參數，其大小與鐵芯飽和程度有關，如發生并聯諧振，那么產生較高的諧振過電壓；(5) 整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。 大功率整流器廣泛應用于冶金、 化工等領域，大功率整流器一- 逆變器廣泛應用于交流變頻調速及交-直流電動機的調速等領域。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零， 反向阻抗無窮大。因此，

12、只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數 展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波(5 0Hz基波)外，還疊加了一系列高次波形一一諧波。應該說電動機采用變頻器進行調速，可以高水平完成調速外，也可以 節省大量電能(近3 0%)，但如前面分析，變頻調速過程中要產生高次諧波，即形成高次 諧波污染，造成廠區的電視、音響系統不能正常工作，還要干擾二次儀表一一壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產生過熱。這些高次諧波是通過三個途徑竄入產生干擾的。其一是通過電容耦合； 其二是通過高次諧波電流產生的電磁感應；其三是直接由接地回路或電