| 供電系統中的諧波及其抑制 |
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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)整數倍的正弦波分量，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性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電力質量變壞。因此，諧波是電力質量的重要指標之一。
諧波的危害表現為引起電氣沒備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發熱：使同步發電機的額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短使用壽命，甚至損壞：降低繼電保護、控制、以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網后會使無功功率加大，功率因數降低，甚至有可能引發并聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。
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、諧波產生的原因
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。
在其它幾個環節中，諧波的產生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備：(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備，如：變壓器、電抗器等；(2)以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備，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開關電源設備，如：各種電力變流設備(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，它們大量的用于化工、電氣鐵道，冶金，礦山等工礦企業以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)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，但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓-電流特性，使得流過電網的電流是非正弦波形的，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，此外電網還必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性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由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統中的主要諧波源。
三、諧波的危害
以前由于接入供電系統的非線性設備較小，幫在系統中引起的諧波電流也很小，所以對電力質量的影響不大。隨著電子技術的發展，使用大功率半導體開關器件以及各類開關電源的產品，如電視機、空調器、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐，信息技術設備等迅速涌入居民家庭，雖然每臺設備向電網注入的諧波電流不大，但這些設備數量大、分布廣。有些家用電器如電視機、空調器等在使用時具有集中的特點，在某些時段會使注入到電網的諧波電流對公用電網造成的諧波問題特別突出，這不但使接入該電網的設備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電系統中性線承受的電流超載，影響供電系統的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。
供電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。
1、增加了發、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使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。這種振蕩力矩使汽輪發電機的轉子元件發生扭振，并使汽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接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點按地，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升高而增加。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。在供應電網的損耗中，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，在一定的參數配合條件下，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，與此同時還可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10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，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，使電容器的損耗系數增大、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。
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。在有諧波源的情況下，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，在線性負荷用戶處，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性負荷性能變壞，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性負荷用戶。
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，觸發電話鈴響，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(HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3-10kHz)會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的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，畫面亮度發生波動變化，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、抑制供電系統諧波的一般對策
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扣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、貫徹執行有關諧波的國家標準，加強諧波管理
我國于1998年12月14日發布了國家標準GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技術內容上與該國際標準完全一致。GB17625.1規定了準備接入公用低壓配電系統中的電氣、電子設備(每相輸入電流≤16A)可能產生的諧波的限值。只有經過試驗證實符合該標準限值要求的設備才能接入到配電系統中。這樣就可以對低壓電氣及電子產品注入供電系統的總體諧波電流水平加以限制。
該標準對以下四類沒備確定了諧波電流時發射限值：A類設備：平衡的三相設備以及除B、C和D類外的所有其它設備；B類設備：便攜式電動工具；C類設備：包括調光裝置的照明設備：D類設備：輸入電流具有標準所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的設備。
該標準還規定了試驗電路和對試驗電源的要求、對測量設備的要求和試驗條件等內容。
目前，全國電磁兼容標委會正在組織有關專家對GB17625.1進行修訂，使該標準更加適應市場的需求和操作更容易、簡便。
此外，1993年頒發的國家標準GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規定了各級電網電壓諧波總畸變率和用戶注入電網的諧波電流容許值，對限制公用電網中的諧波起到了積極的作用。
認真貫徹執行有關國家標準關于限制諧波的規定，就能從總體上控制供電系統中的諧波水平，保證供電系統供給優質的電力質量。
2、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，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，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。
3、增裝動態無功補償裝置，提高供電系統承受諧波的能力
在技術經濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動態無功補償裝置：靜止無功補償裝置(SVC-Static Var Compensator)或更先進的靜止同步補償裝置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以獲得補償負荷快速變動的無功需求、改善功率因數、濾除系統諧波、減少向系統注入諧波電流、穩定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統承受諧波的能力。
4、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，設法在諧波源附近防讓諧波電流的產生，從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法，一是被動地防御，即在已產生諧波的情況下，采用傳統的無源濾波方法(由一組無源元件：電容器、電抗器和電阻器組成的調諧濾波裝置)，減輕諧波對電氣設備的危害。另一種方法是主動的預防諧波電流的產生，即有源濾波方法。其原理是利用可關斷電力電子器件產生與負荷電流中的諧波分量大小相等，相位相反的電流來消除諧波。
總之，一方面要嚴格限制諧波的發射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護性能，以做到真正意義上的電磁兼容。
五、結束語
解決供電系統中的諧波問題，必須要供電部門、電力用戶和設備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發點。一方面，產生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發射水平；另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設法提高設備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方面齊心協力才能搞好治理諧波這項系統工程的工作。 |
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