浅析电网谐波中存在的危害及处理方法

      摘 要：下文主要结合笔者多年的工作实践经验，介绍了电网谐波的危害，以及两种谐波补偿装置的工作原理。并提出了相关的处理办法，仅供同行参阅。

      引言
      随着社会经济的飞速发展和城市化建设进程的不断加快，国民经济发展过程中的电力资源需求量越来越大。然而在在全球节能的大趋势下，电网因供电质量问题造成的电能浪费现象越来越来受到关注。目前电网中的谐波与电磁干扰、功率因数降低已并为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有非常积极的意义。
      1、电力系统谐波的产生及危害
      谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有：铁磁设备、电弧设备以及电力电子设备。铁磁设备包括变压器、旋转电机等。电弧设备包括电弧炉、电弧焊、放电型照明设备（荧光灯等），这两种都是无源型的，其非线性是由铁芯和电弧的物理物性导致的。电力电子设备的非线性是由半导体器件的开关导致的，属于有源型。电力电子设备主包括电机调速、直流开关电源、充电器及其他整流、逆变设备。随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断增大、这部分所产生的谐波所占比重也越来越大，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。
      2、谐波对电力系统和其他用电设备有非常严重的影响
      1） 大大增加了系统谐振的可能。谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。使谐波电流放大几倍甚至几十倍，造成过电流，引起电容器，与之相连的电抗器和电件器的损坏。2） 使电网中的设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由流过大量的3 次及其倍数次谐波电流造成零线过热，甚至引发火灾。3） 谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备（电机、电容器、变压器） 发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。4） 谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护、熔断器等。5） 谐波会导致电气测量仪表计量不准确。6） 谐波通过电第一线感应和传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信系统产生干扰、降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。
      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。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。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。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。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。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。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、谐波治理的方法
      提高电能质量，已经成为供电部门和用户共同关注的问题，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。要对谐波、无功和负序电流进行抑制，有两种方案：1） 装设补偿装置。2） 对接入电网的设备进行改造以符合相关规定。对于已有的设备按第二方案进行设备改造，成本较高，而采用补偿装置进行补偿则更为合理。目前较流行的补偿装置主要是电谐士，电谐士又分为无源电谐士和有源电谐士两种。
      无源电谐士（Passie Filter缩写：PF），又称LC电谐士，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，它与负载并联，除起滤波作用外，还有补偿无功作用。并联无源电谐士的工作原理是对某些频率的谐波谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网内，起到改善电网谐波作用。
      无源电谐士具有结构比较简单，成本低，容易实现，既可补偿谐波，又可补偿无功，但是其本身固有的缺陷限制了其发展，目前使用较少。目前电网上普遍使用的是有源电力电谐士（ActivePowerFilter缩写：APF）。有源电力电谐士是一种采用高频电力电子开关变换技术、模拟和数字混合电路技术进行电流检测和电流注入的新型电力电子装置，它是用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服无源电谐士等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，获得比无源电谐士更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。
      图一 有源电力电谐士系统原理图
      图一为有源电力电谐士系统原理图，图中Vs 表示交流电源，负载电流Il产生谐波电流Ih，它产生谐波并消耗无功。有源电谐士有谐波电流检测和补偿电流发生电路两部份组成，谐波电流检测对负载电流Il进行检测，并计算出补偿电流指令值，并经电流发生源对补偿电流指令值进行放大，输入到电网中，抵消负载源产生的谐波电流Ih，使电源电流Is 达到理想状态。
      有源电谐士工作波形图如图二所示。电谐士检测对象的电压和电流（如图二a 所示），经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号（如图二b 所示），该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得期望的电源电流（如图二c 所示）。实现滤除谐波、动态补偿无功、抑制谐振、提高功率因数等功能。
      4、结语
      综上所述，随着非线性电力设备的广泛使用，电力系统的谐波问题会越来越严重，谐波的治理工作也越来越紧迫。电网谐波的治理是一个系统工程，首先电力电子产品的制造商应生产附合要求的产品，在源头降低电网谐波量。同时，积极使用补偿装置消除电网中的谐波量，保证电网的电能质量，减少电能损失，提高电网效率。