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【摘要】谐波在供电系统中的存在是必然的，也是长期治理的对象。随着半导体电子电力元器件的广泛应用，电气设备产生的谐波越来越严重。谐波首先是增加了电网中电气设备的损耗，并减少一些设备的寿命，严重时还会对通信设备产生误操作，对电能的计量装置产生影响，干扰了正常的收费，造成收费不公平等等，在治理措施中，除了严格按照国家标准外，还可以采取提高换流装置的相数和增加动态无功率补偿装置。本文简单介绍了谐波产生的原因和一些对策，着重分析了谐波对电网设备造成的损害。
【关键词】供电系统：谐波；损耗；对策
【中图分类号】TM72 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0046-01
一、谐波产生的原因
谐波的出现在供电系统中是必然的，电能从产生、传输和变换使用等各个环节都会产生谐波。但是通常在发电环节我们可以采取一定的措施，认为发电机提供的是具有基波频率的正弦波电压，配电系统中的谐波多认为是其他环节产生的。谐波的产生主要是在转换和使用过程中的一些具有非线性特性的电气设备所产生的，这里主要分为三类：一是主要以具有非线性特性的电弧为工作介质的电气设备，例如气体放电灯、炼钢电弧炉和交流弧焊接机等等；二是具有铁磁饱和特性的铁芯设备，主要有变压器、电抗器等等电气设备；三是以电力电子元器件为基础的开关电源，包括整流设备、逆变器、变频器等等。这些电气设备在工业生产、开矿和日常生活中经常用到。这些设备即使在电网中获得的电压是正弦波，但是由于其负荷端的设备的电流是随着非线性的电压和电流流过设备的，从设备出来的电流就是非线性的，而这些非线性的电流最后汇人供电系统，导致电网电压出现严重失真。而谐波也分为稳定谐波和波动谐波，稳定谐波产生的振幅并不随时间变化，而波动谐波会随着时间发生变化。电网中的设备总是在增加，产生的谐波振幅越来越大，最终影响到电网中电气设备的正常使用。电气设备产生的谐波也是供电系统中谐波最终的来源。
二、谐波给配电系统造成的危害
谐波在配电系统中一直都是存在的，但是以前人们很少注意到它的危害，一方面过去的电气设备对电网的供电质量要求不高，尤其是没有半导体设备的时代；另一方面，因为没有半导体设备，因此产生谐波主要设备是变压器和以电弧为工作介质的设备，产生的谐波并不严重。但是随着电力电子进入半导体时代，各种以半导体为基础的开关电源大量应用，因此产生谐波的振幅越来越大，逐渐影响到了电气设备的正常使用。下面分析一下谐波给供电系统造成的危害。
（一）增加整个供电系统的附加损耗
谐波的产生将对整个供电系统产生影响，尤其是增加系统的附加损耗，主要包括旋转电机、变压器、输电线路和电容电器。首先，谐波对旋转电机的危害主要包括增加损耗和转矩。由于集肤效应和涡流、磁滞等的存在，随着频率的不断增大，旋转电机的铁心和绕组都会增加损耗，而在发电系统中电机的负荷约占总负荷的80%以上，因此谐波增加的损耗就非常明显。谐波电流产生的谐波转矩一般不会影响到电机的平均转矩，但是谐波产生的脉冲转矩会使电机产生扭振，还会使汽轮机产生疲劳循环。其次，谐波一定会对变压器产生影响，首当其冲的就是增加变压器的铜损耗，会在三角形连接的变压器中产生环流，使绕组发热。而对于星形连接的变压器，如果绕组的中性点接地，而且该侧的电容较大，就可能出现次谐波谐振，使得变压器的附加损耗增加。再次，谐波对输电线路的影响。输电线路的阻抗会随着频率的改变而改变，在集肤效应的影响下，会增加输电线路的损耗。在供电电网中损耗最大的就是变压器和输电线路，谐波的出现会增加三相供电系统中中性线的电流，甚至导致过载。最后，谐波对电力电容器的影响。谐波电压的增高会影响电容器的使用寿命，增加电容器的损耗系数和附加损耗，谐波还可能使电流增加，电容器就会发热，进而影响电容器的正常运转。
（二）谐波会对继电保护和自动装置的可靠性产生影响
继电保护装置和自动装置在电网中都是以负序基波量为基础的，其整定多以负序基波量为基础，这样整定数值较小，灵敏度高。但是谐波会叠加到负序基础上，而谐波源一般都是负序源，这样就可能引起电机负序电流的保护装置误跳闸，其后果将不堪设想。其它如变电站主变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护高频保护故障录波器自动准同期装置等发生误动都会严重威胁电力系统的安全运行。
（三）谐波会影响测量和计量仪器的准确性
目前国内的电子计量装置都是以50赫兹为标准的正弦波设计的，而且多是感应式的计量装置，谐波会影响电能表的正常工作，计算的数值会出现误差。电能表实际记录的数值是基波电能减去谐波电能，因此谐波将导致电网收费出现误差，还会出现缴费的不公平。例如吸收谐波的用户就必须缴纳谐波产生的电能，而产生谐波的用户则会少缴费，这对整个电网的收费产生不利影响，尤其是一些较大项目的用电。
（四）谐波会干扰通信系统的工作
电力线路上如果流过的是奇次低频率谐波，在等幅值情况下就会对相邻的通信线路产生影响，干扰通信线路清晰度。谐波和基波共同作用下还可能触发电话铃声，在一些极端的情况下也会大范围破坏通信设备。而且在高压直流换相过程中还可能产生电磁噪声，干扰电力载波通信的正常工作，而且引发的载波工作的闭锁和继电保护装置误操作，最后影响电网的正常运转。
（五）谐波会影响用电设备的正常工作
谐波会使电视机计算机的图形畸变画面亮度发生波动变化并使机内的元件过热计算机及数据处理系统出现错误对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯则会在一定参数的配合下形成某次谐波谐振损坏镇流器或电容器对于采用晶闸管的变速装置谐波可能使晶闸管或控制回路误动。
三、供电系统谐波的防护对策
目前谐波已经影响到了供电质量，而且其损耗太大，因此必须从管理措施和技术上采取措施，积极治理电网中的谐波。首先，可以提高换流装置的相数。由于谐波最主要的来源是换流装置，在交流变直流时，直流侧会产生整流相数上下浮动的谐波，而整流相数将可能由6升到12，进而降低谐波电流的有效值。其次，增加动态无功率补偿装置。要减小谐波，其根本措施还是在谐波产生之初对其进行削弱。目前削弱谐波的方法主要有主动和被动两种。主动方法是在已经产生谐波的情况下，利用无源元件进行削弱，包括电容器、电抗器等等。而被动方法是指有源滤波，通过产生和谐波相反相位的波形来削弱谐波。最后，严格执行国家标准，加强对谐波的管理。国家标准GBl7625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流<16A）》，等效采用IEc6100-3-2：1995，它规定了准备接入公用低压配电系统中的电气电子设备可能产生的谐波的限值只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中，以限制这些设备注入供电系统的总体谐波电流水平。
参考文献：
[1]郎维川，张文亮.供电系统的电力质量与电磁兼容水平高电压技术，1999，25（2）：25
[2]郎维川，谐波电流发射见：全国无线电干扰标委会等编.
电磁兼容标准实施指南.北京：中国标准出版社，1999：387
【关键词】供电系统：谐波；损耗；对策
【中图分类号】TM72 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0046-01
一、谐波产生的原因
谐波的出现在供电系统中是必然的，电能从产生、传输和变换使用等各个环节都会产生谐波。但是通常在发电环节我们可以采取一定的措施，认为发电机提供的是具有基波频率的正弦波电压，配电系统中的谐波多认为是其他环节产生的。谐波的产生主要是在转换和使用过程中的一些具有非线性特性的电气设备所产生的，这里主要分为三类：一是主要以具有非线性特性的电弧为工作介质的电气设备，例如气体放电灯、炼钢电弧炉和交流弧焊接机等等；二是具有铁磁饱和特性的铁芯设备，主要有变压器、电抗器等等电气设备；三是以电力电子元器件为基础的开关电源，包括整流设备、逆变器、变频器等等。这些电气设备在工业生产、开矿和日常生活中经常用到。这些设备即使在电网中获得的电压是正弦波，但是由于其负荷端的设备的电流是随着非线性的电压和电流流过设备的，从设备出来的电流就是非线性的，而这些非线性的电流最后汇人供电系统，导致电网电压出现严重失真。而谐波也分为稳定谐波和波动谐波，稳定谐波产生的振幅并不随时间变化，而波动谐波会随着时间发生变化。电网中的设备总是在增加，产生的谐波振幅越来越大，最终影响到电网中电气设备的正常使用。电气设备产生的谐波也是供电系统中谐波最终的来源。
二、谐波给配电系统造成的危害
谐波在配电系统中一直都是存在的，但是以前人们很少注意到它的危害，一方面过去的电气设备对电网的供电质量要求不高，尤其是没有半导体设备的时代；另一方面，因为没有半导体设备，因此产生谐波主要设备是变压器和以电弧为工作介质的设备，产生的谐波并不严重。但是随着电力电子进入半导体时代，各种以半导体为基础的开关电源大量应用，因此产生谐波的振幅越来越大，逐渐影响到了电气设备的正常使用。下面分析一下谐波给供电系统造成的危害。
（一）增加整个供电系统的附加损耗
谐波的产生将对整个供电系统产生影响，尤其是增加系统的附加损耗，主要包括旋转电机、变压器、输电线路和电容电器。首先，谐波对旋转电机的危害主要包括增加损耗和转矩。由于集肤效应和涡流、磁滞等的存在，随着频率的不断增大，旋转电机的铁心和绕组都会增加损耗，而在发电系统中电机的负荷约占总负荷的80%以上，因此谐波增加的损耗就非常明显。谐波电流产生的谐波转矩一般不会影响到电机的平均转矩，但是谐波产生的脉冲转矩会使电机产生扭振，还会使汽轮机产生疲劳循环。其次，谐波一定会对变压器产生影响，首当其冲的就是增加变压器的铜损耗，会在三角形连接的变压器中产生环流，使绕组发热。而对于星形连接的变压器，如果绕组的中性点接地，而且该侧的电容较大，就可能出现次谐波谐振，使得变压器的附加损耗增加。再次，谐波对输电线路的影响。输电线路的阻抗会随着频率的改变而改变，在集肤效应的影响下，会增加输电线路的损耗。在供电电网中损耗最大的就是变压器和输电线路，谐波的出现会增加三相供电系统中中性线的电流，甚至导致过载。最后，谐波对电力电容器的影响。谐波电压的增高会影响电容器的使用寿命，增加电容器的损耗系数和附加损耗，谐波还可能使电流增加，电容器就会发热，进而影响电容器的正常运转。
（二）谐波会对继电保护和自动装置的可靠性产生影响
继电保护装置和自动装置在电网中都是以负序基波量为基础的，其整定多以负序基波量为基础，这样整定数值较小，灵敏度高。但是谐波会叠加到负序基础上，而谐波源一般都是负序源，这样就可能引起电机负序电流的保护装置误跳闸，其后果将不堪设想。其它如变电站主变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护高频保护故障录波器自动准同期装置等发生误动都会严重威胁电力系统的安全运行。
（三）谐波会影响测量和计量仪器的准确性
目前国内的电子计量装置都是以50赫兹为标准的正弦波设计的，而且多是感应式的计量装置，谐波会影响电能表的正常工作，计算的数值会出现误差。电能表实际记录的数值是基波电能减去谐波电能，因此谐波将导致电网收费出现误差，还会出现缴费的不公平。例如吸收谐波的用户就必须缴纳谐波产生的电能，而产生谐波的用户则会少缴费，这对整个电网的收费产生不利影响，尤其是一些较大项目的用电。
（四）谐波会干扰通信系统的工作
电力线路上如果流过的是奇次低频率谐波，在等幅值情况下就会对相邻的通信线路产生影响，干扰通信线路清晰度。谐波和基波共同作用下还可能触发电话铃声，在一些极端的情况下也会大范围破坏通信设备。而且在高压直流换相过程中还可能产生电磁噪声，干扰电力载波通信的正常工作，而且引发的载波工作的闭锁和继电保护装置误操作，最后影响电网的正常运转。
（五）谐波会影响用电设备的正常工作
谐波会使电视机计算机的图形畸变画面亮度发生波动变化并使机内的元件过热计算机及数据处理系统出现错误对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯则会在一定参数的配合下形成某次谐波谐振损坏镇流器或电容器对于采用晶闸管的变速装置谐波可能使晶闸管或控制回路误动。
三、供电系统谐波的防护对策
目前谐波已经影响到了供电质量，而且其损耗太大，因此必须从管理措施和技术上采取措施，积极治理电网中的谐波。首先，可以提高换流装置的相数。由于谐波最主要的来源是换流装置，在交流变直流时，直流侧会产生整流相数上下浮动的谐波，而整流相数将可能由6升到12，进而降低谐波电流的有效值。其次，增加动态无功率补偿装置。要减小谐波，其根本措施还是在谐波产生之初对其进行削弱。目前削弱谐波的方法主要有主动和被动两种。主动方法是在已经产生谐波的情况下，利用无源元件进行削弱，包括电容器、电抗器等等。而被动方法是指有源滤波，通过产生和谐波相反相位的波形来削弱谐波。最后，严格执行国家标准，加强对谐波的管理。国家标准GBl7625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流<16A）》，等效采用IEc6100-3-2：1995，它规定了准备接入公用低压配电系统中的电气电子设备可能产生的谐波的限值只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中，以限制这些设备注入供电系统的总体谐波电流水平。
参考文献：
[1]郎维川，张文亮.供电系统的电力质量与电磁兼容水平高电压技术，1999，25（2）：25
[2]郎维川，谐波电流发射见：全国无线电干扰标委会等编.
电磁兼容标准实施指南.北京：中国标准出版社，1999：387