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谐波危害抑制分析论文
谐波危害抑制分析论文 摘要：电网中谐波问题日益严重，文章对此综述了谐波危害及抑制谐波的 方法。关键词：电网谐波危害抑制技术 随着电网容量迅速增长，电网运行电压也不断提高，国外输电设备电压已 达１０００ｋＶ我国从２０世纪８０年代开始进入大电网时期，输变设备电压已 达５００ｋＶ。最近开始西北地区黄河上游水电深度开发，国家电力公司已批准 建设第一条７５０ｋＶ输电线路。
随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对 供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔ ｙ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融 商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干 扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的 经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇 流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定 扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频 调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将 这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变， 增加谐波成份。
近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。
集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促 使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高， 微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而 导致控制单元损坏或失灵。例如，２０世纪７０年代计算机迅速普遍推广，电磁 干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找 出原因。１９６６年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模 拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入１ ００～２００Ｖ脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一 是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备 正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。
国际电工委员会（ＩＥＣ）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的 要求。美国“ＩＥＥＥ电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准Ｉ ＥＥＥ―１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９―１９９２标准中明确规定了计 算机或类似设备的谐波电压畸变因数（ＴＨＤ）应在５％以下，而对于医院、飞 机场等关键场所则要求ＴＨＤ应低于３％。
１电网谐波的产生 １．１电源本身谐波 由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正 弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏 离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。
１．２由非线性负载所致 1.2.1非线性负载 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载 上电流与施加电压呈线性关系；
而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正 弦电波，即产生了谐波。
1.2.2主要非线性负载装置 （１）开关电源的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、 二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样；
①一次整流回路噪声：这是电容输入型线路，整流脉动电压要超过Ｃ１上 的充电电压，电流才从电源输入，电流波形呈脉冲形，对这种脉冲状电流波进行 “傅立叶展开”后，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，还有１００Ｈｚ、１５ ０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次谐波，这些高次谐波电流 全部返回到公用电网中，造成公用电网的波形偏离５０Ｈｚ；
②开关振荡回路：开关三极管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ以上频率频繁通断， 使电路产生高次谐波。其次Ｌ１、Ｌ２线圈间有漏感，在Ｔ１工作时也会形成噪 声；
③二次整流回路噪声：首先，高次谐波流过Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２产生 噪声。电流突变过程中在Ｌ２、Ｌ４上的反电动势也会形成噪声；
④控制回路噪声：在完成控制过程也会产生噪声。
这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干 扰。
（２）变压器空载合闸涌流产生谐波 变压器空载合闸时，可以列出下列方程：
ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝#8226;Ｕ１#8226;ｓｉｎ（ωｔ＋α） 求解后得到：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（１） Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）――磁通的稳态分量；
Φｍｃｏｓα――磁通的暂态分量。
如果合闸时，α＝０（既在μ１＝０的瞬间合闸）得到：
Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（２） 在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ。
铁心中磁通波形对时间轴不对称，考虑剩磁Φ０，则磁通波形再向上移Φ ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８～１ ５倍额定电流的涌流，由于线圈电阻Ｒ１的存在，变压器空载合闸涌流一般经过 几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以３次谐波为主。
（３）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：如果ｔ＝０时，ＣＢ触头 刚分开，弧电压很低略去，因此电源电压ｕ与电容电压相等，即ｕ＝ｕｃ。
ｔ＝ｔ１时，电流为零，电弧熄灭，而电源电压仍然按正弦变化，经过半 周到达正向最大。但是，电容电压ｕｃ＝－Ｕｍ不再变化。断路器ＣＢ触头间电压Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。
当ｔ＝ｔ２时，如果此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为Ｕｍ直流电源 经电感Ｌ突然加到电压为－Ｕｍ的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频 电流：
ｉｃ＝２#8226;Ｕｍ#8226;ω０#8226;Ｃ#8226;ｃｏｓω０ｔ，（ω０＝） 电容器上电压为：
μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ（３） 因此，高频电流ｉｃ经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电 压Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，如果此时电弧被熄灭，则Ｕｃ将保持３Ｕｍ不变。
ｔ＝ｔ３时，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到 ５Ｕｍ值。
实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大， 当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过 电压倍数不会达到３倍（上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后１０ｍ ｓ，因此恢复电压达到最大值）。
用普通断路器投切电容器ｃ１时（ｃ１处于２０ｋＶ线路），产生１．８ （ｐ．ｕ）过电压，导致谐振，谐振却又在ｃ２处（ｃ２处于６ｋＶ线路）产生 高于４（ｐ．ｕ）的过电压。
电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装 置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的 过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系 统误跳闸事故会经常发生；
（４）电压互感器铁磁谐振过电压：在我国１０ｋＶ、３５ｋＶ等级的中 性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。在 正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导 致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感Ｌ和系统对地电容 Ｃ在参数上配合，而产生谐振过电压。我们先看一下，它是典型的Ｌ、Ｃ并联电路。ｘｃ＝，ｘＬ＝ωＬ，ｘｃ是线性参数，但是ｘＬ是非线性参数，其大小与 铁芯饱和程度有关，如发生并联谐振，则产生较高的谐振过电压；
（５）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转 成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、 化工等领域，大功率整流器――逆变器广泛应用于交流变频调速及交－直流电动 机的调速等领域。
其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。
因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波， 不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦 波（５０Ｈｚ基波）外，还叠加了一系列高次波形――谐波。应该说电动机采用 变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近３０％）， 但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂 区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表――压力、流量、可编程 控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产 生过热。
这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一是通过电容耦合；
其 二是通过高次谐波电流产生的电磁感应；
其三是直接由接地回路或电源线窜入的。
（６）电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多地使 用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路， 而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又 开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路－开路－短路的过程，会引起用户端 电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是０．１Ｈｚ～几十Ｈｚ，这种谐波 是以３次谐波为主。
２谐波的危害 ２．１污染公用电网 如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计 算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注 入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。
２．２影响变压器工作谐波电流，特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在 其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的 中性线的３次谐波电流会使中性线发热。
２．３影响继电保护的可靠性 如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰 叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安 全。
２．４加速金属化膜电容器老化 在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期 作用下，金属化膜电容器会加速老化。
２．５增加输电线路功耗 如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增 加。
如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大１０～ ２０倍，而感抗仅为其１／３～１／２，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击 穿。
２．６增加旋转电机的损耗 国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额 定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则 附加功耗明显增加。
２．７影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作 例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生３～１０ｋＨｚ高频噪声， 会干扰电力载波通信的正常工作。
３谐波抑制技术 ３．１整机电源需留有较大贮备量为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时， 可给予较大贮备量，一般选取０．５～１倍余量；
３．２对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电 因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入的，因此在规划供电线路 时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电。
３．３将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开 将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开。因为动力装置的负荷变 动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源 分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大 大减少通过电源线的干扰。
３．４其余抑制高次谐波的技术 3.4.1开关电源干扰的抑制技术 一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。
采用电源滤波器。其中Ｃ１、Ｃ２具有抑制串模干扰，Ｌ１、Ｌ２可以抑 制共模干扰，而Ｃ４、Ｃ３可以抑制串共模干扰。电源滤波器可以阻止电网中的 干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。
屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。
减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合， 以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过 反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。
3.4.2变压器空载合闸涌流抑止方法 根据方程（１），如果合闸时，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合闸），则：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４） 没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。
3.4.3抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法 如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生 的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母 线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。
3.4.4抑制电压互感器铁磁谐振方法 其方法是要使它脱离谐振区。电压互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系 统对地电容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ）， 在ｏａ区间，合成电流呈容性，合成电流随电压上升而增加，在ａｂ区间铁芯饱 和导致ＸＬ电抗减少（电感电流非线性急剧增长），最后使合成电流仍为容性， 合成电流随电压上升而减少，所以ａｂ区间是不稳定区间，在ｂ点合成电流为零， 这时ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），发生并联谐振。采用中性点不接地的电压互感 器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。
3.4.5抑止整流和逆变产生的谐波 （１）在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加 装三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的电容，（分别接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ， Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的１／１０，效果较明 显；
（２）变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电 缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。
3.4.6抑止电弧炉运行时的干扰 （１）在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；
（２）可以重新安排供电系统。
４结束语 随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方 面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。
谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的 高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水 平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。
