供电系统中的谐波产生及管理的探讨

    摘要：谐波在供电系统中的广泛存在,对电网和电力设备产生了严重的危害。伴随着工业化和自动化程度的迅速提高，非线性设备和负荷大量使用，使谐波将越来越多地产生。作为供电部门，须进一步认识谐波问题的严重性，并以积极的态度从技术和制度两个层面减少谐波对供电系统的危害，降低损失,以保证电网和电力设备的安全运行。

   关键词：谐波  危害  管理

    0 引言

    近年来，经济的高速发展促使工业化和自动化程度迅速提高，供电系统非线性设备和负荷的大量使用，使谐波的产生有了巨大的温床，谐波对电网的干扰愈加严重，导致电网供电质量下降。谐波污染已成为电力系统的三大公害之一。供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注，为保证供电系统中所有的设备能正常工作，必须加强对谐波的管理并采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

    1 谐波的产生和电力线路中谐波的类型

    所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，有数字频谱的特征。不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。谐波主要产生于两类元件：

①含半导体的非线性电气元件；

②含电弧和铁磁非线性设备。由于这两类元件广泛存在于电力线路中，所以谐波来源于三个渠道:一是发电源产生的谐波；二是输配电系统产生的谐波；三是用电设备产生的谐波。可见谐波存在于电力生产、传输、转换和使用的各个环节，具有普遍存在的特征。

    2 谐波对电力线路的危害

    谐波对电力线路的危害可以说无处不在，具体有以下几个方面:

    2.1 对输电线路的危害 由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体发热，破坏绝缘，严重时造成短路，甚至引起火灾。另外，由于输电线路存在着分布的线路电感和对地电容及无功电容等电感和电容的存在，它们与系统母线侧及系统串联或并联，组成串联回路或并联回路时，可能会发生串联谐振或并联谐振，导致在线路中产生很高的谐振电压，严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。

    2.2 影响线路的稳定运行 为保证线路与设备的安全，保证线路的稳定运行，电力线路中使用了大量继电保护和自动装置及低压开关设备。但由于谐波的影响，这些按基波量设定的高灵敏度继电保护和自动装置如变电站主变的复合电压启动过电流保护装置，母线差动保护元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动或使晶体管继电器产生误动或拒动，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。对各种断路器也有同样的影响，谐波电流使断路器的铁耗和铜耗增大而发热，造成脱扣困难或额定电流降低或脱扣电流降低等不正常现象，出现误动作或不动作。

    此外谐波还影响电网的质量。谐波不但使电网的电压与电流波形发生畸变，而且同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

    2.3 对电力设备的危害 电力设备主要包括电力电容器和电力变压器，谐波对它们的危害也很大。当含谐波的电压加在电容器两端时，因为谐波频率高，电容器对谐波阻抗很小，使电容器电流变大，导致电容器温度升高，损耗系数增大、附加损耗增加，容易发生故障，影响电容器的使用寿命，严重时会引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使电网的谐波加剧，产生谐波扩大现象，危害更大。同时，由于谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在还增加了铜损，也会对大大增加非对称性负荷的变压器励磁电流的谐波分量,因此会减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声。

    2.4 对用电设备的影响 在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波对电力用户电动机的影响最为明显。谐波能使电机产生附加的损耗和转矩，并能减少电动机的绝缘寿命。谐波产生的脉冲转矩，会导致出现电机转轴扭曲和机械振动的问题，发出很大的噪声。此外，谐波还对计算机网络、通信等弱电设备产生干扰；还影响电力测量的准确性和计量仪表的精确性，甚至导致计量设备无法工作；谐波对人体也有不良的影响。

    3 供电系统谐波的管理

    由于谐波存在的广泛性和频谱的多样性，使得谐波的管理有极大的困难，可以说在供电系统中完全消除谐波是不可能的，但我们可以对一些危害比较大的谐波进行有效的处理。为减少供电系统的谐波问题，可以采取以下措施:

    3.1 通过技术措施，减少谐波的危害 减少谐波目前采用的方法是:

①运用由L、R、C元件构成谐振回路，可阻止与谐振回路的谐振频率相同或相近频率的谐波进入电网，如在电力电子设备的交流侧安装无源滤波器；

②利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流趋向零，达到较实时补偿谐波电流的目的；

③在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少波动的谐波量、改善功率因数、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力；

④将电容器组的某些支路改为滤波器或采取串联电抗器，也可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。此外还有一些特定的方法，如增加换流装置的相数，脉宽调制法，三相整流变压器采用Y / Δ或Δ/Y 的接线等。

    3.2 加强管理，减少谐波的危害 谐波是附着于基波的，以电流的形式在电网中传输，使整个电网受其影响。因此我们可以采取一定的措施使谐波在一定的范围内流动而不影响电网的其他部分。各部门各负其责，尽量不把本部门管辖范围内的谐波传送到其他线路，如发电部门提高发电机制造的工艺水平，提高三相绕组绝对对称性，铁心的均匀一致性，从源头上减少谐波的产生，同时对输送出的电流实行检测，不把电厂的谐波送到供电部门；对于供电部门来说，谐波的产生不可避免，既有来自上游发电部门的谐波，又有来自下游用电部门的谐波，还有自身产生的谐波，但是通过一定的技术手段，加强监测，实时控制，并通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施，可以提高电网抗谐波的能力。

    3.3 加强对用户端谐波的管理

    3.3.1 加大对谐波的危害性和治理方面的宣传，使用户深刻认识谐波治理的重要性，谐波治理是是保证电网和设备安全稳定运行的举措。同时要制定一些制度，明确各个部门在谐波管理中的职责、相应的操作规程、规范对谐波的管理；

    3.3.2 用电用户产生的谐波对电网影响也最大，因此必须加强对用户的管理，按照GB 17625.1—2003《电磁兼容　限值　谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》，要求购置的用电设备，经过试验证实，符合该标准限值才允许接入到配电系统中；GB/T14549 《电能质量　公用电网谐波》规定的注入公共连接点的谐波电流允许值的用户，必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波，限制消除谐波对电力设备及装置的有害影响；

    3.3.3 加大用电检查力度，对于已运行的电能质量污染源用户进行补立档案，本着“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，进行谐波源当地治理，即对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置，将谐波限制在标准允许的范围内。同时安装电能质量在线监测仪，并定期进行监测，保证电网电能质量和电网安全运行。

    4 结束语

    谐波问题是复杂的，要解决供电系统中的谐波问题，必须要多方面共同努力，通过制定相关政策、健全相关制度和技术创新，一定可以把谐波控制在较微小的范围内，从而保证电网和电力设备的安全运行，杜绝因谐波造成的电力安全事故。