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摘 要：高次谐波对电气设备具有重大的破坏力，根据其产生的原因，分析有源滤波器的工作原理、结构特点及应用方法，并对其抑制问题进行了探讨。
关键词：电气设备；高次谐波；有源滤波器；电力系统；
近年来，随着电力电子器件在电气设备中的广泛引用，愈來愈多地将非正弦波形引入电网，其产生的高次谐波对电气设备的正常运行带来了极大的隐患和破坏作用。因此，有效地抑制谐波是电气设备设计中的一个重要内容。
1.谐波的产生
具有非线性特性的电气设备，是产生谐波的主要原因：①具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等；②以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；③以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力变流设备相控调速和调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等。当对这些非线性的电气设备施加正弦波电压时，其电流波形产生畸变，如图1所示，这种畸变的电流波形中，就含有大量的谐波。
图1 非线性负荷电流波形
2 谐波的影响
2.1 增加了附加损耗
高次谐波会使电气设备产生附加的谐波损耗，降低了供配电设备的效率，缩短使用寿命，当大量的零序谐波流入中性线时会使线路过热，甚至引起火灾。
2.2降低设备使用寿命
因谐波含量过大引起ΔU过大，对并联电容器的危害尤为严重。计算表明，当ΔU升高10%，电容器的温升提高7%，这时即使不考虑电容器介质局放引起的介质损耗，其概率寿命也将减小30%。
2.3 影响计量精准度
由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计的，当高次谐波电流窜入电力系统后，将导致系统中继电保护及自动控制装置产生误动作或拒动作，会影响电气仪表测量的准确性。
2.4 干扰通信系统
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度。此外，由高压直流（HVDC）换流站换相过程中所产生的电磁噪声（3～10kHz）会干扰电力载波通信的正常工作，影响电气设备的运行安全。
3.抑制谐波的技术措施
谐波产生的根本原因是电网存在非线性负载。抑制谐波对电网的影响主要有两种途径：一是靠改进用户自身设备来达到减少谐波电流的目的；二是根据产生的谐波加装滤波装置，达到滤除谐波电流的目的。
目前，谐波治理采取的措施主要有以下几种：
3.1改善供电系统
加大供电系统短路容量、提高供电电压等级、增大供电设备容量、尽可能保持三相电压平衡，以提高电网承受能力。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
3.2在谐波源处吸收谐波电流
这是对已有的谐波进行有效抑制的方法，也是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有：①无源滤波器；②有源滤波器；③混合型有源滤波器（HAPF）。
3.2.1无源滤波器
目前绝大多数电气设备中采用LC 无源滤波器，它在吸收高次谐波的同时还具有改善负载功率因数的功能，但是这种滤波器存在一定的不足，主要有以下几个方面：
①由于调谐偏移和残压电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想情况是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。
②随着电源测谐波发生源的增加，有可能会引起滤波器的过载。
③在同一系统内部，在装有很多LC 滤波电路的情况下，想要获得高次谐波电流的流入平衡是很困难的。
3.2.2有源滤波器
有源滤波法则彻底改变了无源滤波法的缺陷，由于采用了关断电力电子器件，产生反谐波电流来消除谐波电流的影响，因此具有无源滤波器不可比拟的优势：
（1）作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响。
（2）没有共振现象，系统结构的变化不会影响补充效果。
（3）原理上比LC 滤波补偿更为优越，用一台关断电力电子装置就可以实现各次谐波的补偿。
（4）由于关断电子器件本身能够实现输出限制功能，因此不存在由于高次谐波量增大而导致补偿元件过载的现象。
3.2.3混合型有源滤波器（HAPF）
将APF（有源滤波器）优良性能和PF（无源滤波器）低成本相结合，即可构成混合型有源滤波器（HAPF），它兼有APF和PF各自的优点，属于APF的分支和发展。通过采取适当的控制策略，可使负荷的谐波电流由APF提供，负荷的基波无功功率则由PF提供。按滤波器输出同样的无功功率比较，HAPF开关逆变器的容量只有常规APF容量的27%左右，逆变器容量明显减小，可大幅降低成本，因此HAPF是一种很有前途的滤波及补偿方式。
3.3避免并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，避免并联电容器组对谐波的放大。
3.4降低谐波源的谐波含量
在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：① 增加整流器的脉动数；② 脉宽调制法；③三相整流变压器采用Y-D（Y/Δ）或D、Y（Δ/Y）的接线。
4 结论
随着电子工业的飞速发展，大量非线性负荷在电力系统的出现，致使谐波污染愈加严重。现代电力系统具有功率处理与控制的特点，与传统电力系统相比，由于大量电力电子装置的投入，造成了日益严重的谐波污染问题，对谐波的综合治理工作势在必行。谐波问题的研究涉及到许多相关学科，因此，必须努力加强在应用基础方面的研究工作，跟踪并赶超世界发达国家在谐波治理方面的先进技术，推动我国电力系统谐波综合治理的进程。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展，法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。
参考文献
[1]林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.
[2]王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]臧正保.电网高次谐波的影响及抑制[J].电气技术与自动化，2004（3）.
[4]吕来泰.电网高次谐波的危害及抑制措施[J].电气开关，2007（3）.
[5]曾盛，冯垛生.高次谐波及其抑制措施[J].现代电子技术，2002（9）.
[6]方鸿发，贾继钧.电器测试技术.北京：机械工业出版社，1994.
[7]Aldrovandi G，Bonfanti I，Kuhnhardt G et al.New application of synthetic circuit development in CESI and IPH.CIGRE，Paris，1992，13-201.
作者简介
张飞（1988-），男，主要从事输变电管理与维护工作。
（作者单位：国网河南省电力公司尉氏县供电公司）
关键词：电气设备；高次谐波；有源滤波器；电力系统；
近年来，随着电力电子器件在电气设备中的广泛引用，愈來愈多地将非正弦波形引入电网，其产生的高次谐波对电气设备的正常运行带来了极大的隐患和破坏作用。因此，有效地抑制谐波是电气设备设计中的一个重要内容。
1.谐波的产生
具有非线性特性的电气设备，是产生谐波的主要原因：①具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等；②以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；③以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力变流设备相控调速和调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等。当对这些非线性的电气设备施加正弦波电压时，其电流波形产生畸变，如图1所示，这种畸变的电流波形中，就含有大量的谐波。
图1 非线性负荷电流波形
2 谐波的影响
2.1 增加了附加损耗
高次谐波会使电气设备产生附加的谐波损耗，降低了供配电设备的效率，缩短使用寿命，当大量的零序谐波流入中性线时会使线路过热，甚至引起火灾。
2.2降低设备使用寿命
因谐波含量过大引起ΔU过大，对并联电容器的危害尤为严重。计算表明，当ΔU升高10%，电容器的温升提高7%，这时即使不考虑电容器介质局放引起的介质损耗，其概率寿命也将减小30%。
2.3 影响计量精准度
由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计的，当高次谐波电流窜入电力系统后，将导致系统中继电保护及自动控制装置产生误动作或拒动作，会影响电气仪表测量的准确性。
2.4 干扰通信系统
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度。此外，由高压直流（HVDC）换流站换相过程中所产生的电磁噪声（3～10kHz）会干扰电力载波通信的正常工作，影响电气设备的运行安全。
3.抑制谐波的技术措施
谐波产生的根本原因是电网存在非线性负载。抑制谐波对电网的影响主要有两种途径：一是靠改进用户自身设备来达到减少谐波电流的目的；二是根据产生的谐波加装滤波装置，达到滤除谐波电流的目的。
目前，谐波治理采取的措施主要有以下几种：
3.1改善供电系统
加大供电系统短路容量、提高供电电压等级、增大供电设备容量、尽可能保持三相电压平衡，以提高电网承受能力。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
3.2在谐波源处吸收谐波电流
这是对已有的谐波进行有效抑制的方法，也是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有：①无源滤波器；②有源滤波器；③混合型有源滤波器（HAPF）。
3.2.1无源滤波器
目前绝大多数电气设备中采用LC 无源滤波器，它在吸收高次谐波的同时还具有改善负载功率因数的功能，但是这种滤波器存在一定的不足，主要有以下几个方面：
①由于调谐偏移和残压电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想情况是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。
②随着电源测谐波发生源的增加，有可能会引起滤波器的过载。
③在同一系统内部，在装有很多LC 滤波电路的情况下，想要获得高次谐波电流的流入平衡是很困难的。
3.2.2有源滤波器
有源滤波法则彻底改变了无源滤波法的缺陷，由于采用了关断电力电子器件，产生反谐波电流来消除谐波电流的影响，因此具有无源滤波器不可比拟的优势：
（1）作为高次谐波电流源，不受系统阻抗的影响。
（2）没有共振现象，系统结构的变化不会影响补充效果。
（3）原理上比LC 滤波补偿更为优越，用一台关断电力电子装置就可以实现各次谐波的补偿。
（4）由于关断电子器件本身能够实现输出限制功能，因此不存在由于高次谐波量增大而导致补偿元件过载的现象。
3.2.3混合型有源滤波器（HAPF）
将APF（有源滤波器）优良性能和PF（无源滤波器）低成本相结合，即可构成混合型有源滤波器（HAPF），它兼有APF和PF各自的优点，属于APF的分支和发展。通过采取适当的控制策略，可使负荷的谐波电流由APF提供，负荷的基波无功功率则由PF提供。按滤波器输出同样的无功功率比较，HAPF开关逆变器的容量只有常规APF容量的27%左右，逆变器容量明显减小，可大幅降低成本，因此HAPF是一种很有前途的滤波及补偿方式。
3.3避免并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，避免并联电容器组对谐波的放大。
3.4降低谐波源的谐波含量
在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：① 增加整流器的脉动数；② 脉宽调制法；③三相整流变压器采用Y-D（Y/Δ）或D、Y（Δ/Y）的接线。
4 结论
随着电子工业的飞速发展，大量非线性负荷在电力系统的出现，致使谐波污染愈加严重。现代电力系统具有功率处理与控制的特点，与传统电力系统相比，由于大量电力电子装置的投入，造成了日益严重的谐波污染问题，对谐波的综合治理工作势在必行。谐波问题的研究涉及到许多相关学科，因此，必须努力加强在应用基础方面的研究工作，跟踪并赶超世界发达国家在谐波治理方面的先进技术，推动我国电力系统谐波综合治理的进程。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展，法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。
参考文献
[1]林海雪，孙树勤.电力网中的谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.
[2]王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]臧正保.电网高次谐波的影响及抑制[J].电气技术与自动化，2004（3）.
[4]吕来泰.电网高次谐波的危害及抑制措施[J].电气开关，2007（3）.
[5]曾盛，冯垛生.高次谐波及其抑制措施[J].现代电子技术，2002（9）.
[6]方鸿发，贾继钧.电器测试技术.北京：机械工业出版社，1994.
[7]Aldrovandi G，Bonfanti I，Kuhnhardt G et al.New application of synthetic circuit development in CESI and IPH.CIGRE，Paris，1992，13-201.
作者简介
张飞（1988-），男，主要从事输变电管理与维护工作。
（作者单位：国网河南省电力公司尉氏县供电公司）