1分析低压配电系统中谐波

　　1-1什么是供电系统的谐波

　　对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到和电网基波频率相同的分量，还包括许多大于电网基波频率分量，这些电量就被称为谐波。谐波频率和基波频率比值（n=fn/f1）被称之为谐波次数。电网中有时也会有非整数谐波存在，即为非谐波或称为分数谐波。谐波其实是一种干扰量，会使电网受到“污染”。电工技术主要研究谐波是如何产生的、及怎样传输、如何测量、造成危害及抑制。

　　谐波大小通常用总谐波畸变率来表示，在周期性交流量中的谐波含量的均方根值和它的基波分量的均方根比值（用百分数来表示）；电压总谐波畸变率用THDu表示；电流总谐波畸变率用THDi表示。

　　1-2电网谐波的主要来源

　　（1）由于发电系统中发电机三相绕组在制造过程中很难做到完全对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致等原因，所以发电时多少会产生一些谐波，总体来说数量较小。

　　（2）输配电系统中产生的谐波：主要是输配电系统中电力变压器产生的谐波，由于电力变压器铁芯饱和，磁化曲线的非线性，加上设计时要考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线上接近于饱和段，就使磁化电流呈现尖顶波形，从而就含有了奇次谐波。它的大小是与磁路的结构形式、铁芯饱和度相关。其饱和度越高，电力变压器工作点就会越远地偏离线性，从而造成谐波电流就越大。

　　（3）用电设备所产生谐波是因为供电系统中存在着非线性负荷，当电流流过和所加的电压不是线性关系时，就会发生非正弦电流，这就是谐波电流。非线性负荷设备有开关电源（SMPS）、调速装置、电子荧光灯镇流器、不间断电源、包含磁性铁芯设备以及部分家用电器（如电视机、计算机）等。

　　1-3半导体整流设备

　　由于半导体广泛应用于开关电源、不间断电源等许多方面，由其产生的谐波给电网造成大量的电污染。半导体整流装置是采用移相控制，从电网吸收了缺角的正弦波，从而给电网剩下的是另一部分缺角正弦波，在剩下部分中就会含有大量谐波。据统计，由整流装置所产生的谐波占电网所有谐波40%左右，是最大的谐波源。

　　1-4变频装置

　　由于变频装置的逆变电路开关特性，对所供电电源形成一个典型非线性负载。更由于采用相位控制，谐波成分很复杂，除含有较多整数次谐波，还有分数次谐波，这类装置功率一般较大，随着变频调速广泛应用，对电网造成谐波也会越来越多。变频器产生谐波主要是5次、7次谐波。

　　1-5非线性照明型用电装置

　　非线性照明用电装置主要有荧光灯、高压气体放电灯、金属卤化物灯等。通过测量和分析这些装置的伏安特性，可知它们非线性十分严重，个别还具有负的伏安特性，它们都会给电网造成奇次谐波电流。

　　不同种类的荧光灯谐波电流含有率是相差很大的。以前用的普通长管荧光灯，现在越来越多使用紧凑型灯具，它们谐波特点为：

　　（1）都是奇次谐波。线绕镇流器电流含有三次谐波较多，可达8%-10%。电子镇流器脉冲型含有各种谐波15%-18%，其中含三次谐波70%-80%，次数越高，含有率越低；高频时各谐波一般为3%-5%含有率。

　　（2）紧凑型型荧光灯中使用线绕镇流器的第三亚型装有并联电容器，来提高功率因数，从而电流和线损，但是电容器有明显放大谐波作用。

　　（3）电子镇流器的三次谐波电流含量可分为三种标准：谐波的电流含量小于37%的L型电子镇流器；谐波的电流含量小于30%的H型电子镇流器；带灯丝预热控制型电子镇流器谐波的电流含量小于10%。目前市场所售商品实际还都达不到标准要求。

　　（4）气体放电灯放电时具有负电阻特性，因而串接非线性类型整流器，其产生特性谐波为3次、5次、7次谐波，谐波电流占有率为12%左右。

　　1-6家用电器

　　电磁炉、电视机、录像机、计算机等设备，因内部有调压整流装置，就会产生较深奇次谐波。在这些设备有绕组的设备中，不平衡电流的变化也可能造成波形改变。这些家用电器尽管功率较小，但数量较大，也是谐波的主要来源。

　　2由谐波所引起的危害

　　由于各次谐波在电路中作用有所不同，它们的叠加与相序相关。同一个电路中谐波会相互作用从而会相互减弱或抵消。但在更多情况下我们发现谐波会相互叠加有所增强，从而发生波形畸变。相线和中性线之间非线性负荷会形成三次谐波电流，并在中性线上叠加。因为三次谐波电流和其倍数次谐波是呈零序特征的，所以在中性线上的三次谐波电流是三相中所有三次谐波电流的总和，会引起电流和电压畸变，并产生150HZ的电磁场，对周围通信设备及通信系统、电子控制、保护设备产生干扰。谐波对低压配电系统所产生危害是多方面的，总体概括为以下几个方面：

　　2-1对供配电线路的危害

　　谐波会严重影响控制系统的稳定运行。供配电系统中配电线路和电力变压器常采用电磁式继电器、晶体管继电器和感应式继电器进行检测保护，这些继电器非常容易受到谐波影响，会产生相应误动或拒动。所以说谐波将对供配电系统稳定及安全运行造成严重威胁。

　　2-2对电力设备造成的危害

　　（1）对电力电容器产生危害。如果电网中有谐波就会使电容器后端电压增大，电容器电流增幅会更大，这样电容器损耗的功率就会增加，从而异常发热，加速绝缘介质老化，在谐波严重情况时会发生电容器被击穿甚至爆炸。

　　（2）对电力变压器危害

　　谐波会使变压器铁耗、铜耗增大。由于损耗增加，因而就会造成变压器实际使用量变 小，并且谐波还会引起变压器噪音变大。

　　（3）对电力电缆的危害

　　由谐波频发及电缆导体截面积越大它的趋肤效应就会更加明显，使得导体交流电阻变大，电缆通过的电流变小。

　　3如何抑制谐波 　　由于电压谐波是由电流谐波产生的，故而如能有效控制电流谐波使电压畸变保持在要求范围内就可。在配电系统中，如能尽量减少注入系统谐波电流，即可取得较好效果，方法有以下三点：

　　3-1改善供电环境

　　（1）改变供电结构

　　应把能产生大量谐波非线性负荷和不产生谐波用电设备分布在不同供电母线上，使谐波相互补偿并抵消可降低电网中谐波的含量。

　　（2）增大中性线容量

　　在民用建筑中低压配电设计更要考虑对用电负荷主要是给单相用电设备供电配电干线、中性线截面积应不小于相线的截面积。在电视机、计算机、电磁设备等电子设备密集使用场合，TN系统配电回路的N线截面积应不小于相线横截面2倍，从而增大N线的载流量，就会避免导线过载发热而损坏。

　　3-2减少谐波的波源

　　即在谐波源上采取措施，尽可能减少谐波的产生。这种方法可以提高电网质量，并有效节省由于谐波影响产生的费用。可以通过以下方法来实现：

　　（a）通过增加整流器脉动数，由于整流器在电路中广泛应用，它也是谐波主要来源之一，它的特征频谱是n=Kp±1，由此可知p和n是正比关系，一个增大另一个也会相应增大。而In≈I1/n，所以谐波电流会减少，也就减少了谐波。

　　（b）采用脉宽调制方法。使用PWM，在所设定的频率周期内，把电流电压调成等幅但不等宽的一系列交流输出电压脉冲从而达到抑制谐波。

　　（c）在三相整流变压器处采用Y-d（Y/△）或采用D、Y（△/Y）的接线方式。可以有效消除3的倍数次谐波，这也是抑制谐波的最常采用方法。利用以上方法可以加大系统短路容量，有效提高供电电压等级，并增加变流装置脉动数，同时尽量保持三相负荷平衡，防止各类电磁系统饱和，避开系统谐振点。

　　3-3通过在谐波源处吸收谐波

　　利用电力滤波设备在谐波源处吸收谐波电流，是可以有效抑制谐波。该装置又分为有源滤波器和无源滤波器两种。无源滤波器主要安装在设备的交流侧，如LC回路频率与电路中谐波电流频率相同时，就能阻止流入电网。具有价格低、结构简单、效率高运行可靠便于维护，缺点是体积大，对某些谐波有放大的可能性。有源滤波器是用可控功率半导体元件往电网注入与原有谐波幅值相同、相位相反电流来抵消谐波电流，从而达到消除谐波作用。以上谈了一下谐波的产生、危害及一些消除谐波方法，有不足之处，请予以指正。

　　参考文献

　　[1]国家标准 《电能质量公用电网谐波》

　　[2]张浩 谐波抑制的工程设计方法探讨

　　[3]吴正国 电力滤波技术

　　[4]路东 张宝华 谈体育场馆的谐波治理