谐波治理

谐波治理综述

对于公用电网中的谐波电压和谐波电流，在世界上和我国均有相关的标准规范，例如国际上IEEEstd519要求商业和工业用户向公共电源系统反馈的最大THD应小于5%。我国国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》，根据不同电压等级的公用电网，明确规定出了各次谐波电流的最大允许值见表1。

表1 注入公共连接点的谐波电流允许值

近年来，我国的通信电源行业也逐渐对谐波电流有了一定的认识，在通信行业的最新标准中，也已增加了对UPS设备输入电流谐波含量的要求，规定根据UPS容量的大小和使用场所的重要性等情况将谐波含量指标分为3个等级，即5%、15%和25%（通信上由于经常使用容量较大的UPS系统，系统要求的供电可靠性又高，所以应按照5%的指标要求）。

在通讯领域，为了使谐波尽量不对油机等设备的运行产生干扰，为了使整个供电系统更安全可靠，将整个系统中各点的电流谐波含量均控制在5%以内是最佳的选择。因此，在新建系统时，应对各种设备专门提出谐波指标相关的要求，以保证系统中的谐波在建设时就得到控制。对于现有系统，由于其正在运行，改造的难度和投资都相对大一些，因此，可以考虑在能够保证整个系统基本安全的前提下，适当降低谐波治理的要求。

谐波治理无源谐波

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。因此，业主不得不要求滤波。因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。

国内低压侧高水平的谐波滤除装置是采用光纤触发系统，大幅度降低因谐波干扰致使电缆触发所产生的误动。

谐波治理有源谐波

有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。对单台的装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。

谐波治理避免谐振

普通电容器对谐波有放大作用，串联一定的电抗器既可以保护电容器，又可以有效地防止系统谐波被放大。根据GB50053－94《10kV及以下变电所设计规范》规定，“当电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时，应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器。”GB50227－95《并联电容器装置设计规范》规定，“用于抑制谐波，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时，宜取6%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，宜取12%”。

综上所述，在建设通信用供电系统时，应在电路解谐的基础上，首先考虑使用有源滤波器进行治理。最好在建设初期就考虑解决。如在建设UPS系统时，直接配置有源滤波器等，这样不但可以保证建设的系统更加安全可靠，同时由于可以很方便的实现末端治理，使供电可靠性及节能效率都有所增加。

谐波治理趋势

电力网中非线性负载的逐渐增加是全世界共同的趋势，如变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、谐波治理重要负载所用的不间断电源(UPS)、节能荧光灯系统等，这些非线性负载将导致电网污染，电力品质下降，引起供用电设备故障,甚至引发严重火灾事故等。世界上包括我国的一些建筑物突发火灾被证明与电力污染有关。

谐波治理危害

电力设备运行中的问题和故障，谐波治理通常都是由于电网电气参数波动或瞬间干扰所引起，如：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡、功率因数过低、缺相运行等。

长期以来，这些导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费的情况受到用户和供电部门的广泛关注。

电力污染及电力品质恶化主要表现在以下方面：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡等。

电源污染的危害

电源污染会对用电设备造成严重危害，主要有：

*干扰通讯设备、计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。

*影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能,造成噪声干扰和图像紊乱。

*引起电气自动装置误动作，甚至发生严重事故。

*使电气设备过热，振动和噪声加大，加速绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

*造成灯光亮度的波动(闪变)，影响工作效益。

*导致供电系统功率损耗增加。

谐波治理工程案例

温州某10KV电解锌工厂在未滤波之前，其功率因数为0.8，而采取普通的无功补偿，又无法投入，1030KVA（630KVA 400KVA）的变压器，直接由10KV变到126V，低压侧的电流达到14000A，5次谐波电流含量在高压侧达到21%。在滤除5次谐波后，5次谐波仅剩5%时，功率因数可以达到0.98。用户由滤波前的每月罚款8000~10000元，到每月奖励1000元左右。这样算下来，半年左右就可以收回成本，不仅为企业实现了节能降耗，也为国家创建绿色电网出了一份力！

矿用提升机：

提升机作为大功率、频繁启动、周期性冲击负荷以及采用硅整流装置对电网造成的无功冲击和高次谐波污染等危害不仅危及电网安全，同时也造成提升机过电流、欠电压等紧停故障的发生，影响了矿井生产。因此对提升机供电系统进行无功动态补偿和高次谐波治理，对于提高矿井提升机和电网的安全运行可靠性、提高企业的经济效益意义巨大

提升机单机装机功率大，在矿井总供电负荷中占的比重较大。伴随煤矿生产规模的扩大、井筒的加深，要求配套的提升机装置容量也越来越大，单机容量已达到2000～3000kW，有的甚至达到5400kW，单斗提升装载量达34t。这么大的负载启动将对电网造成很大的冲击电流，无功电流成分较大，功率因数较低。所以大功率提升机对供电电网的容量和稳定性要求更高。

其中大功率提升机主要的问题是：

引起电网电压降低及电压波动；

高次谐波含量丰富，其中普遍存在如2、4次偶次谐波与3、5、7、11等奇次谐波共存的状况，使电压畸变更趋复杂化；

功率因数低

彻底解决上述问题的方法是用户必须安装具有快速响应速度的BF-2B动态滤波及无功补偿装置，该装置使用大功率可控硅开关模组。系统响应时间小于2Oms，完全可以满足严格的技术要求。保定巴方具有丰富的煤矿现场成功运行经验，如山西玉华煤矿等项目，滤波及无功补偿装置投运至今运行效果良好，单月节省电费在10万元以上。

电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。

随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。

电网谐波来自于3个方面：

1.发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

2.是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

3.是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的 30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

谐波治理谐波来源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。

对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时，由于电机的磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。

为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

· 电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。

· 交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

· 交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

· 开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：

电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性。

此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大，而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少，电焊机应用的同时率就更小了，对整个电网的影响比较小，但发现在烧电焊时，局部低压电网的电压和电流变化很大，有较大的谐波影响。

交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。

交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。

虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。

开关电源设备应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

谐波治理现状浅析

通过对市场的常用用电器的谐波状况的测试，我们了解到目前我国内工业企业的谐波污染十分严重，尤其是早些年为了节能，引入的变频电源和直流用电器的投入，其5次、7次、11次谐波电流的含量分别占基波的20%、11%、6%，这对于小功率的用户而言，还不怎样，但对于大功率的用户来说，危害就很大了，对于中频炉用户，它用常规的无功补偿就无法进行，有的用户用常规的电容器无功补偿，无法投入电容器，有的即便投入了，也对5次谐波电流放大了1.8~3.8倍以上，使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大大地增加，缩短了设备的使用寿命，多交了电费。

谐波治理谐波治理

1．谐波治理的总体思路。谐波的治理应当首先考虑预防，控制好谐波产生的源头，使系统中产生的谐波尽量减小，就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此，在选择设备和构建系统时，就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。对于交流和直流两大类通信电源设备：在其他条件同等或类似的情况下，UPS系统应该优先选择12脉冲或者Delta变换的设备，直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。

其次，在预防的基础上，再考虑补救措施。特别是对于既有的用户低压系统来说，由于系统结构已经基本固定，谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。

2．治理谐波的预防性措施。预防性的解决办法是指避免谐波及其后果出现的措施，如下。

（1）整流器中的相位抵消（通过选择合适的相位移动，由低脉波数整流器构成的高脉波数整流器可以消除谐波）或谐波控制。应该使用具有较高脉波数的整流器，如使用12脉冲的整流器来代替6脉冲整流器。

（2）开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。

3．治理谐波的补救性措施。补救性的解决方法是指为克服既有谐波问题所采用的技术，包括使用LC无源滤波器、使用有源滤波器、电路解谐，详见下面的治理方法。

谐波治理产生

谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸的变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50Hz的基波分量和频率为基波分量整数倍的谐波分量。

谐波治理危害

1．谐波对系统的普遍影响

首先，谐波会增加设备的铜耗、铁耗和介质损耗进而加剧热应力，从而运行中需要降低设备的额定出力。其次，谐波还可以使电压峰值增大，若忽略相位差，则峰值电压上升的标幺值就等于电压峰值系数，这种电压升高会导致绝缘应力升高，最终有可能使电缆绝缘击穿。最后，谐波还会引起负载设备损坏（这里负载设备损坏广义的定义为由电压畸变引起的任何设备故障或工作不正常），并缩短设备寿命。

另外，3倍数次谐波即使在负载平衡的情况下也会使中性线带电流，并且此电流有可能等于甚至大于相电流。这种情况会导致零地电位差的升高，而且中性线上的开关和电缆等的选取都需要做出适当调整。此外，如果谐波引起了谐振，则极大的谐振电流会在电源系统中引起更大的破坏。

2．谐波影响柴油发电机组的正常供电

柴油发电机组的内阻相对市电要大得多，谐波所造成的电压波形失真也大很多。因此，在市电供电时，谐波的影响不易发现；但当油机供电时，谐波对供电系统的影响就会明显得多，比如使油机输出的电压波形出现严重失真。这时，如果油机的控制部分对严重失真的输出波形进行判断，就可能会认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机；或者使UPS等通信重要负荷不能使用油机电源，而是依靠蓄电池放电供电，如市电停电时间过长，就会造成UPS停机。所以，针对输入电流谐波含量较大的设备，都要求必须增大油机与设备的配比倍数（即将油机降容使用），即将油机容量加大到设备容量的2～5倍，以减小谐波失真和绕组的发热等情况。但这种方法的成本是非常昂贵的，而且也不能保证UPS和柴油发电机组的完全兼容，由于柴油发电机组的欠载，还会引出油发电机组运行维护方面的问题。

另外，谐波使发电机的铜损和铁损增加。当发电机的自然振荡频率在脉动磁场频率附近时，发电机会发生超同步谐振。

3．谐波对电容器组的影响

谐波对电容器组的影响也比较严重，主要有以下几种情况。

●电容器由于谐波电流而过载，因为电容器的电抗随着频率的升高而减小，这使得电容器称为谐波的吸收点。同时，谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝熔断。

●谐波往往会使介质损耗增加，其直接后果是额外的发热和设备的寿命缩短。

●电容器和电源电感结合构成并联谐振电路，其谐振频率可以计算得出。在谐振情况下谐波被放大，最终的电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。

4．谐波对变压器的影响

谐波环境下的变压器会受到如下损害。

●负载损耗增加。负载损耗包括铜耗和杂散损耗（线圈涡流损耗）。杂散损耗是决定由非线性负载引起的变压器铁心额外发热损耗的最重要因素。

●磁滞和涡流损耗增加。这些损耗会随着频率的升高而大大增加，而且由谐波引起的涡流损耗比由谐波引起的磁滞损耗大。

●变压器电感与功率因数校正电容器之间可能产生谐振。

●由于峰值电压增加而导致绝缘应力增加。

上述损耗会导致变压器发热及相应的寿命损失。

5．谐波对保护装置、通信电路和电子设备等的影响

谐波还会干扰保护继电器、测量设备、控制电路和通信电路以及用户电子设备等，还会使灵敏设备发生误动作或元件故障。谐波在以下几个方面影响保护和控制装置、测量设备、通信电路和电子负载。

●谐波影响断路器的开断能力。

●受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时，机电型继电器的延时特性会改变。零序电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流，从而导致误跳闸。

●测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性，从而导致计量不准确。

●谐波通过感性耦合干扰电话线路。

●由于过零点的移动，谐波影响电子装置和控制电路的正常工作。

●谐波干扰用户负载，这对计算机系统特别值得关注。

●谐波缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯的故障。