摘要：本文主要介绍了电力系统中产生谐波的主要原因，对电网系统的危害及抑制谐波的方法。
关键词：电力谐波；谐波产生；危害；抑制措施
1 前言
在理想的情况下，电力系统中三相交流发电机发出的电压，其波形基本是正弦波，但随着电力电子设备技术的发展、电弧炉、变压器等设备容量的加大、家用电器的增多等原因，向电网注入谐波，造成系统电压、电流波形畸变，电能质量下降，危害电力系统及用户的安全与经济运行。
2 电力谐波的产生
2.1 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，但一般来讲很小，可以忽略。
2.2 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%。
2.3 用电设备产生的谐波
2.3.1 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。
2.3.2 电弧炉、电石炉
由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2次、7次谐波，平均可达基波的8%、20%，最大可达45%。
2.3.3 气体放电类电光源
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。
2.3.4 家用电器
电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
3 电力谐波的危害
3.1 对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩，损害电机绝缘强度及机械强度。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。谐波电流注入电机后，畸变波形电流在电机绕组中产生的总损耗等于基波电流产生基本损耗和各次谐波电流产生的额外损耗之和。定子三相绕组中的谐波电流产生各自转速的谐波旋转磁场切割转子，在同步发电机的组合转子铁芯和异步电动机的转子铁芯叠片中感生谐波电流，引起转子铁芯额外损耗和发热，影响转子绕组的绝缘强度。电机的温升还由于瞬流使电感性负载电流损失增加和铜损提高而造成。由于瞬流高压的冲击，多余的电能转换成热能，因而使电机的运行温度上升，电机温度每上升一度，大约增加4％的电耗。
3.2 对变压器的影响
对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热。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。因此为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因子，以确保变压器温升在允许的范围内。而用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量反应在电费上，谐波也会导致变压器噪声增加。
3.3 对电力电缆线路的影响
电缆线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致损耗增加。另外，电缆的对地电容较大，容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，更容易发生造成绝缘击穿的事故。
3.4 对开关及继电保护的影响
谐波电流会引起开关之额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低，温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）则会引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸，则后果严重威胁电力系统的安全运行。
3.5 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。计算器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。
4 谐波的抑制
4.1 装设滤波器
4.1.1 无源滤波器
即简单的LC调谐滤波器，是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。LC滤波器一般采用与谐振源并联方式接入配电系统，三相连接可接成Y型或D型。但三次谐波滤波器有一点特殊，因为三次谐波主要为零序谐波，大部分流经N线，因此有些三次谐波滤波器采用在N线上串接的方式。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，一直被广泛使用。但无源滤波器存在许多缺点主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，对某些次谐波有放大的可能，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
4.1.2 有源滤波器
有源电力滤波器简称APF（Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。有源滤波器工作原理是：用电流互感器采集直流线路上的电流，经A/D采样，将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为PWM的调制信号，与三角波相比，从而得到开关信号，用此开关信号去控制IGBT单相桥，根据PWM技术的原理，将上下桥臂的开关信号反接，就可得到与线上谐波信号大小相等、方向相反的谐波电流，将线上的谐波电流抵消掉，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器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。再将有源滤波器接入点后的线上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。其基本结构如图1。
有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF（储能元件为电容）和电流型APF（储能元件为电感）。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象，随着超导储能磁体研究的进展，也将促进更多的电流型APF投入实用。
4.2 加装无功补偿装置
在谐波源处装设静止无功补偿装置（SVC），以补偿快速变动负荷的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等。
SVC静止无功功率补偿成套装置由LC单调谐无功功率补偿滤波器FC、一组三相由高压晶闸管阀控制并联电抗器导通角来改变功率的静止动态无功补偿单元（TCR）及控制系统组成（如图2）。TCR静止型动态无功补偿单元是向电网提供在一定范围内可调的感性无功功率补偿，用于克服LC回路可能引起的过补偿情况。TCR静止动态无功补偿单元由三组反向并联的高压晶闸管阀和三组并联电抗器组成；控制系统调节器自动跟踪负荷的工作状态，发出与冲击负荷相关的TCR触发脉冲；脉冲通过光电转换及高压光缆传递给各晶闸管阀；改变触发角，可以改变主抗器的电流量，从而改变回路的感性无功功率，实现了动态补偿的功能，通过TCR回路对无功功率的跟随作用，使用户流入电网的无功功率趋于一个相对稳定的数值；同时TCR回路还可以通过控制系统调节器调节不平衡负荷的不对称功率分配，抑制电网的三相不平衡。
5 结语
总之，在治理系统谐波时，应充分考虑系统中各种因素的影响，兼顾各个指标，选择合理有效的滤波方案。一是要严格限制谐波的发生，二是装设谐波消除装置消除系统谐波，三是提高电气设备抗谐波干扰能力。像无源滤波器LC就是是现阶段最常见、最简单经济实用的方法，但要避免谐波放大现象的发生。SVC已在冶金行业得到了广泛的应用，也取得了显著的效果，已经形成了成熟的技术方案。
参考文献：
[1]郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术，2002.6
[2]宋文南.刘宝仁.电力系统谐波分析[M].中国电力出版社，1998.9
论文作者:郭正华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/3
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