配电网谐波源的分析与治理

　　随着科学技术的不断进步、电子技术的飞速发展，现代化的工业设备和民用电器装置的应用越来越普及，尤其是先进电子设备，诸如电力电子变频、调压设备、调速控制设备、可控硅整流设备、数字通讯设备、电气铁路设备、各类UPS、充放电设备、大功率半导体开关器件、开关电源、变频器、信息技术设备、数控机床、节能灯、可控硅负载、变频电机、变频空调、中频炉、节能灯、调光器等，还有电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，都属于非线性电源负荷。

这些设备数量大、分布广，使得谐波电流由少聚多地不断注入电网，使得电力系统波形严重畸变。因此谐波电流对公用电网造成的谐波问题越来越突出，这不但会使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受超载电流，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。

　　1 谐波的危害

　　谐波增加了输配电系统和用电设备的附加损耗——铁损(包括磁滞损耗和涡流损耗)和铜损，使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，导致导体对谐波电流的有效电抗增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面：

　　1.1 .对旋转电机的影响

　　在工程供电系统中，电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电动机总的附加损耗影响较为显著。由于集肤效应、磁滞、涡流等现象将随着谐波次数增高而使得各类旋转电机的铁芯和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。谐波还使电动机噪音增大甚至可导致扭矩震动，而扭矩的震动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成的，如果机械谐振频率与电气励磁重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。

　　1.2 对变压器的影响

　　谐波电流会引起变压器的铜损、铁损和杂散损增加。谐波会在变压器绕组中形成环流，使绕组过热，变压器整体温升提高，这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降，而且谐波也会导致变压器噪声增加。

　　1.3 对输电线路的影响

　　由于用户系统中导线阻抗的频率特性，导线的电阻会随着频率的升高而增加，又由于导线中集肤效应的作用，谐波会使得用户自身供电系统中导线的附加损耗增加，由谐波引起的非正弦波会对线路产生更高的热量。尤其值得注意的是这类谐波还会使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载，大大浪费了用户的用电成本。

　　1.4对电子设备的影响

　　电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而含谐波的电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，如可编过程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。

　　1.5对开关的影响

　　像其它设备一样，谐波电流也会引起开关之额外温升并使基波电流负载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。

　　1.6 对绝缘的影响

　　随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题日趋严重，谐波的存在会对电力设备造成损坏，加速设备绝缘老化。谐波叠加后的电压峰值对器件老化有很大的影响，研究表明，谐波对其寿命的主要影响因素为：电压峰值、电压均方根值和电压波斜率。其中峰值对它寿命的影响*大。

　　1.7对各类电力电容器(包括补偿电容)的影响

　　由于大部分电力电容器对于高次谐波呈现低阻抗，有的电容器在和系统电路中的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近某次谐波分量的频率时，就会引起谐波电流放大，使电力电容器过热，过电压而不能正常工作，在高次谐波的影响下很容易被击穿。加速电容器老化，缩短寿命甚至烧毁。

　　1.8对通信系统的干扰影响

　　通信系统少不了的换流设备和UPS设备本身是很严重的谐波源，这类设备产生的谐波频率一般在20KHz左右，该频段的谐波必然会干扰载波通信的正常工作，由此产生的干扰电压将会严重影响通信线路的通信质量，甚至于在某些情况下还会造成通信线路的中断等严重后果。

　　1.9对自动化流水线、数控机床、工作母机类精密设备的影响

　　众所周知，绝大部分的数控类设备都通过一系列的交直流电机，通过变频调速来控制的。在此过程中谐波的瞬时脉冲会引起控制元件的误动作，尤其是由于数控设备中的控制用芯片中的电容受到谐波的影响，很容易老化甚至短路，引起设备不能工作。另外在这类精密加工设备的各类继电器的接触点上，在谐波的作用下很容易形成一个氧化碳膜层，既增加了接触点的阻抗又大大降低了控制器的灵敏度。

　　1.10谐波对银行、海关、证券公司、机场等大区域联网作业的用户的影响

　　为确保大区域联网工作的网络平台能正常运行，UPS设备对这类用户是必不可少的。但是UPS在整流充电过程中所产生的谐波一方面会影响到计算机网络中来，造成网络莫名其妙的出错、停机等。另一方面，这些谐波反过来又使UPS中的蓄电池中的极板加速氧化，而逐渐失效，严重的将根本起不到不间断电源的本身作用，从而对上述重要用户带来很大的损害。

　　1.11谐波对雷达系统，测空设备的影响

　　航天航空的地面测空系统，雷达系统的正常工作关系到国家人民的巨大利益，设备供电电源中任何瞬时脉冲、浪涌和谐波都会引起各类精密测试仪器、控制系统一连串的不正常的反应，哪怕某一个继电器的接触点由于谐波造成接触点表面形成阻抗很小的氧化膜，使继电器灵敏度降低而造成的危害将是无法弥补的。

　　总之，谐波的危害表现为引起电气设备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热；使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至损坏；降低继电保护、控制、以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率增大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。

　　2 谐波的治理

　　治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽，隔离，接地及滤波等技术手段。

　　①增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；

　　②使用无源滤波装置或有源滤波装置：消除谐波的设备要求频谱范围广、能力要大、响应时间要快而且使用方便、可靠、寿命长等。

　　2.1 减少回路的阻抗及切断传输线路法

　　谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过。因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而加大了资金投入。另一方法是将线性负载与非线性负载从同一电源接口点就开始分开，分别对各电路负载供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。

　　2.2 使用无源滤波装置或有源滤波装置

　　使用无源滤波装置其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波装置主要是用于补偿非线性负载。

　　传统的方式多选用无源滤波装置，无源滤波装置出现*早，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。LC滤波装置是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，它包括三种基本形式：串联滤波、并联滤波和低通滤波( 串并混合)。其中串联滤波主要适用于三次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。是应用*广泛的电源净化滤波装置。这种装置存在一些较难克服的缺点，这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，无源滤波装置不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波装置过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。如果过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波装置，增加设备投资。但目前，无源滤波装置还是实际应用*多、效果较好、价格较低的治理谐波的较好方案。

　　有源电力滤波装置是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，这种滤波装置能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。

　　有源滤波装置根据动态补偿谐波的原理，运用电力电子技术和计算机技术，快速跟踪谐波源产生的谐波频率、相位和幅值，由装置向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，达到同时滤除2~25次谐波的目的，因而倍受关注。

　　有源电力滤波装置系统主要由指令电流检测电路和补偿电流发生电路这两大部分组成。

　　指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性变化后发出补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波装置还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

　　有源滤波装置具有同时消除多次谐波(2-25次)电流的能力，能实时、自动跟踪控制，既能高效消除谐波，又能动态补偿无功，改善三相不平衡度。而且不受系统运行方式影响，不会产生谐波谐振，对电力系统适应能力强。

　　有源滤波装置可以克服无源滤波装置等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源滤波装置更好的补偿特性，控制精度高、治理效果好，已逐渐成为谐波治理的重要技术手段和今后谐波治理领域的发展方向。

　　混合型有源滤波装置：目前，在具体的谐波治理方面，出现了无源滤波装置(LC滤波装置)与有源滤波装置互补混合使用的方式，充分发挥LC滤波装置结构简单、易实现、成本低，有源电力滤波装置补偿性能好的优点，克服有源电力滤波装置容量大、成本高的缺点，两者结合使用，既可补偿无功，又可补偿谐波。可克服无源滤波易受电网参数影响及产生谐振的缺点，适用于需大功率电源滤波的场合，从而使整个系统获得良好的性能。

　　从目前国内国际治理电力电网谐波来看主要以高次谐波为主，*高为21次左右谐波。而在电网污染治理中大于21次谐波的高频高次谐波的研究和治理却少有问津，以上所述随着非线性负载的大量应用，如中频炉、变频器、开关电源、整流器、节能灯等，都会产生严重的高频高次谐波。经实际现场测试，这些用电负载在工作时所产生的能量较大的几十kHz或100kHz左右的高频高次谐波，在电力输电网上所引起的集肤效应比21次以下的高次谐波在输电网上引起的集肤效应来得更为严重。频率越高，集肤效应更厉害，它使输电网产生更大的热量，浪费更多的电力能量。而且使输电线老化更快；另外高频高次谐波在电机、变压器等设备上会产生更为严重的涡流，引起更大铜损和铁损，使这些设备发热，产生振荡，发出高频叫声，同样浪费电力电能，使设备加速老化、降低设备和输电线的绝缘，甚至烧毁。而且高频高次谐波所引起的辐射干扰和传导干扰也相当严重，严重影响通信线路的通信质量，甚至会造成通信线路的中断等后果。

　　然而在公用电网谐波方面国内国际只针对高次谐波有相应的标准，*高也只是21次谐波，而高频高次谐波这一块还没有相应的标准。

　　上海坤友电气有限公司的有源电力滤波装置是上海市科委下达的科研攻关项目，是具有自主知识产权的产品，它填补了治理电网高频高次谐波的空白。电源波形矫正滤波装置并接在电网电源中自动跟踪并吸收谐波源产生的谐波电流。对用电设备产生的随机的高频高次谐波、高频噪声、脉冲尖峰、电涌等干扰具有抑制和吸收滤波作用，能防止用电设备产生的干扰污染进入到电网中，同时又能防止电网中的高频高次谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等干扰进入到仪器设备，提高了电网质量，保证了仪器设备的正常运行，它使用灵活方便，通过矫正波形，吸收污染，可提高电力质量，保护仪器设备，减少仪器设备的故障率和机器误操作，提高设备运行效率和生产成品率，提高仪器设备的使用寿命。降低了由高频高次谐波引起的集肤效应及铜损和铁损等，节约了电力能源，在电力电网中针对高频高次谐波的治理作出新贡献。

　　图1，2，3为在电网谐波污染治理工程中实际测得的波形曲线：

　　图1 正常电网谐波波形曲线

　　图2 安装有源电力滤波装置前变频机上网电源波形曲线

　　图3 安装有源电力滤波装置后变频机上网电源波形曲线

　　LYLB采用高科技新技术特种元器件组成的电路具有抗瞬态干扰的电源波形矫正滤波装置解决了在应用中不仅在串联接入方式下对10kHz~10MHz的高频率谐波、高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等共模和差模噪声污染有抑制和滤波作用，更解决了并联接入方式下对10kHz~10MHz的高频率谐波、高频噪声、浪涌(雷电)、尖峰瞬变等污染有抑制和滤波作用这一技术难题，对电网波形具有一定的矫正作用，使电源中较高的谐波频率分量被矫正和吸收。有效降低和防止由于仪器设备产生的高频谐波和高频噪声、尖峰瞬变等污染进入电网，同时又能降低和防止电网中高频率谐波和高频噪声、尖峰瞬变等污染进入到仪器设备，干扰仪器设备的正常运行。电源波形矫正滤波已被广泛应用在上述的各个领域中，创造了一定的经济效益和社会效益。