1、電力系統中的諧波及其抑制措施供電公司 呂向陽【摘要】在電能質量多種指標中，受干擾性負荷影響，諧波是最為普遍的。 該文介紹了電力系統中的主要諧波源、諧波的危害及抑制措施。關鍵詞 諧波 抑制措施一、概述 在理想的情況下，優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但在實 際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形， 即產生諧波。 我們所說的 供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率 （在我國取工業用電頻率 50HZ 為基 波頻率）整數倍的正弦分量，又稱為高次諧波。在供電系統中，產生諧波的根本 原因是由于給具有非線形阻抗的電氣設備 （又稱為非線形負荷） 供電的結果。 這 些非線形負荷在工作時向電源反

2、饋高次諧波， 導致供電系統的電壓、 電流波形畸 變，使電能質量變壞。因此，諧波是電能質量的重要指標之一。供電系統中的諧波問題已引起各界的廣泛關注，為保證供電系統中所有的 電氣、電子設備能在電磁兼容意義的基礎上進行正常、 和諧的工作， 必須采取有 力的措施，抑制并防止電網中因諧波危害所造成的嚴重后果。二、諧波源 諧波源是指向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓的電氣 設備。在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。在發電環節，當對發電機的結構和接線采取一些措施后，可以認為發電機 供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。諧波的產生主要是來自下列具有非線形特性的電氣設備：（ 1

3、） 具有鐵磁飽和特性的鐵心設備，如：變壓器、電抗器： （ 2） 以具有強烈非線形特性的電弧現象的設備，如：氣體放電燈、交流 弧焊機、煉鋼電弧爐等；（ 3） 以電力電子元件為基礎的電源設備，如：各種電力交流設備（整流 器、逆變器、變頻器） 、相控調速和調壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關設 備等，它們大量的用在化工、電氣化鐵道、冶金、礦山等工礦企業以及各式各樣 的家用電器中。以上這些非線形電氣設備（或稱之為非線形負荷）的顯著的特點是它們從 電網取用非正弦電流， 也就是說，即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓， 但由于它們具有其電流不隨電壓同步變化的非線形的電壓電流特性， 使得流過 電網的電流

4、是非正弦波形的， 這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧 波組成， 即產生了諧波， 使電網電壓嚴重失真， 此外電網還須向這類負荷產生的 諧波提供額外的電能。接入低壓供電系統的非線形設備產生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化 的諧波兩大類。 所謂穩定的諧波電流是指這種諧波的幅度不隨時間變化， 如視頻 顯示設備和測試儀表等產生的諧波， 這類設備對電網來說表現為恒定的負載。 由 激光打印機、 復印機、 微波爐等產生的各次諧波的幅值隨時間變化， 稱之為波動 的諧波，這類設備對電網來說是一個隨時間變化的負載。隨著電力電子設備使用的不斷增加，同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系

5、統中的主要諧波源。三、諧波危害供電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個方面：1、加了發、輸、供和用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備的效率 和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻率電流流過導體時，因集 膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加， 從而增加了設備的功率損耗、 電能損耗，使導體的發熱嚴重。（ 1） 對旋轉電機的影響 諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁 滯、渦流等隨著頻率的增高而在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。 在供電系統中， 用戶的電動機負荷約占整個負荷的 85%左右。因此，諧波使電力 用戶電動機總的附加損耗增加的影響最

6、為顯著。 由于電動機的出力一般不能按發 熱情況進行調整，由諧波引起電動機的發熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成 等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續承受為3%額定電壓的負序電壓時， 電動機的絕緣壽命要減少一半。 因此， 國際上一般建議在持續 工作的條件下，電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的 2%。諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生 顯著的脈沖轉矩， 可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。 這種震蕩力使氣輪發電機 的轉子元件發生扭振，并使氣輪機葉片產生疲勞循環。（ 2） 對變壓器的影響諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是 3 次及其倍數次諧波對三角形連

7、接 的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱；對全星行連接的變壓器，當繞 組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器 時，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生高而增加。在集膚 效應的作用下， 諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。 在供電電網的損耗中， 變 壓器和輸電線路的損耗占了大部分， 所以諧波使電網網損增大。 諧波還使三相供 電系統中的中性線的電流增大， 導致中性線過載。 輸電線路存在著分布的線路電 感和對地電容， 它們與產生諧波的設備組成串聯回路或并聯回路時， 在一定參數 配

8、合條件下，會發生串聯諧振或并聯諧振。 一般情況下， 并聯諧波諧振所產生的 諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。 當注入電網的諧波的頻率位于在 網絡諧振點附近的諧振區內時， 會激勵電感、電容產生部分諧振， 形成諧波放大。 在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現誤動， 以至損壞設備， 與此同時還產生相當大的諧波網損。 對于電力電纜線路， 由于電 纜的對地電容比架空線路約大 1020 倍，而感抗約為架空線路的 1/21/3，因 此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。（ 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

9、耗增大、附加 損耗增加， 從而容易發生故障和縮短電容器的壽命。 另一方面， 電容器的電容與 電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時， 就 會產生諧波電流放大， 使得電容器因過熱、 過電壓等而不能正常運行， 甚至損壞。2、影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性諧波對電力系統中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響 十分嚴重，這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度 高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾 （如電氣化鐵道、 電弧爐等諧波源還 是負序源） 則會引起發電機負序電流保護誤動 （若誤動引起跳閘， 則后果嚴重）、 變電站主變的復合電壓啟

10、動過電流保護裝置負序電壓元件誤動， 母線差動保護的 負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、 自動準同期裝置等發生誤動，嚴重威脅電力系統的安全運行。3、使測量和計量儀器的指示和計量不準確由于電力計量裝置都是按50HZ的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷 電流中有諧波成分時， 會影響感應式電能表的正常工作。 在有諧波的情況下， 諧 波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能， 從 而諧波源雖然污染了電網，卻反而少交電費；而與此同時，在線形負荷用戶處， 電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能， 這部分諧波電能不但 使線形負荷性能變

11、壞， 而且還要多交電費。 電子式電能表更不利于供電部門而有 利于非線形負荷用戶。4、干擾通信系統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電流通過磁場 耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓， 干擾通信系統的工作， 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， 觸發電話鈴， 甚至在極 端情況下， 還會威脅通信設備和人員的安全。 另外高壓直流換流站換相過程中產 生的電磁燥聲（3-10HZ）會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作 和閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網運行的安全。5、對用電設備的影響 諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度產生

12、波動變化，并使機內的元件出現過熱， 使計算機及數據處理系統出現錯誤。 對于帶有啟動用的鎮流器 和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數的配合下， 形成某次諧波頻率下的諧振， 使鎮流器或電容器因過熱而損壞。 對于采用晶閘管 的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發。四、抑制諧波的主要技術措施諧波問題是關系到供電系統的供電質量的一個重要問題，它不但與供電部 門有關，而且還關系到廣大電力用戶和電器設備制造廠的切身利益。 為減少供電 系統的諧波問題，一般從管理上和技術措施上采取以下幾方面的對策：1、增加換流裝置的相數 換流裝置是供電系統的主要諧波源之一。理論分析表明，

13、 換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為 pk 1和pk（ p為整流相數或脈動數， k為正整數）。當脈動數由p=6增加到p=12時，可以有效的消除幅度較大的低頻 項，（其特征諧波次數分別為12k1或12k），從而大大降低了諧波電流的有效值。2、加裝濾波裝置（包括無源濾波和有源濾波裝置）為了減少諧波對供電系統的影響， 最根本的思想是從產生諧波的源頭抓起， 設法在諧波源附近減少諧波電流， 從而減低諧波電壓。 防止諧波電流危害的方法， 裝設交流濾波器， 交流濾波器能有效地抑制諧波電流， 使電網電壓畸變減輕， 送 電質量提高，同時，反過來又使大功率負荷的效率充分發揮，壽命相對延長，濾 波器

14、提供的容性無功， 還有一定的無功補償作用， 使系統的功率因數提高。 濾波 器按主回路中是否含有有源器件，可分為有源濾波器和無源濾波器兩類。3、加裝靜止型動態無功補償器（ SVC） 有的諧波源負荷除產生諧波電流外，還使供電系統的母線電壓波動，并帶 來閃變。如大型軋機、電弧爐等負荷，使得電能質量的幾個指標都出現問題。為 了統一解決問題，常采用SVC與無源濾波器一起使用的方式，其中SVC只起快 速調節無功功率的作用。五、抑制諧波的其他技術措施1、加強系統承受諧波的能力（1）增大系統容量，可以增強系統承受諧波的能力并降低系統的諧波電壓 水平，但是有待于電力系統的發展。（2）將諧波源負荷改由容量較大的母

15、線供電，或改由高一級電壓的電網供電。很多用戶的整流裝置經由數千米饋線（6KV或10KV）供電，裝置供電母線 的短路容量較小， 由此產生的諧波干擾很大， 常使用戶附近的用電設備無法正常 工作。如果在設計規劃時對諧波源負荷由容量較大的母線或高一級的電網供電， 則可避免這些問題。2、提高供、用電設備抗諧波干擾的能力 按電磁兼容的有關規定，系統中的各種供、用電設備的抗諧波干擾的能力應高于系統的諧波兼容值。在設備的設計生產中應制定相應的標準加以規定。3、合理選擇變壓器額定運行磁密 電力變壓器在系統中量大、分布廣，變壓器的勵磁電流中的諧波不可忽視。制造廠家為了減少體積、 降低成本， 其額定運行磁密一般取得

16、較高， 在額定電壓 下已接近飽和。當系統運行電壓提高 5%左右，勵磁電流會增加 40%以上，有的 甚至達到 1.0 被左右，造成諧波電流急劇上升，這是 HV、EHV 系統諧波電壓水 平偏高的重要原因之一。 因此降低變壓器的額定運行磁密是降低系統電壓諧波水 平的措施之一。 降低變壓器額定運行磁密會增加制造成本， 但從變壓器運行角度 看，可以減少空載損耗和由諧波引起的附加損耗， 降低運行費用。 因此可以將兩 者進行技術經濟比較，以得出一個合理的變壓器額定運行磁密。4、系統運行電壓控制在合理的水平 系統運行電壓高于額定電壓會給系統帶來諸多不利的影響。從目前看，系統諧波電壓一般在深夜至清晨這段時間內較

17、高， 從而使變壓器鐵芯飽和， 勵磁電 流諧波增加， 而此時全網負荷較輕， 系統諧波阻抗增加， 使得系統諧波電壓水平 提高。從降低系統諧波電壓水平看， 將系統的運行電壓控制在合理水平是有效措 施之一。5、并聯補償電容器組改造 如上所述，并聯補償電容器組在一定條件下可能產生諧波放大，根據設備情況應將并聯補償電容器組的串聯電抗器進行適當調整。 當附近存在較大的諧波 源時，應將其改成單調諧濾波器并供出一定的無功功率， 這對于降低諧波水平是 一個有效的措施，其投資不會很高，效果將會很顯著。6、制定諧波源設備諧波電流限值標準 變壓器的空載電流諧波含量目前尚無標準。 雖然在按國標 GB1094-1 中要求測量變壓器的空載電流諧波含量， 但它屬于特殊試驗項目， 不作強制性要求， 對 于測量方法和儀器沒作具體的規定， 測量結果也不作為產品是否合格的依據。 因 此即使是同一種型號的變壓器， 空載電流中的諧波含量差別很大， 特別是在測量 方法、測量設備及儀器上存在的問題更多， 致使很多測量結果可信度很低， 因此 有必要在相應的國家標準中對其空載電流中的諧波含量限值加以規定； 對其測量