諧波對智能電網的危害及抑制方法

在供電系統中，諧波是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分數諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。

一、諧波的成因

電網諧波來自于3個方面：

1.發電源質量不高產生諧波：發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。

2.是輸配電系統產生諧波：輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

3.是用電設備產生的諧波：晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是27次的諧波，平均可達基波的8%～20%，最大可達45%。

氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏·安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏·安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。

二、諧波對電網的危害

諧波污染對電網的影響主要表現在：

1.造成電網的功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、線路和設備過熱燈，特別是三次諧波會產生非常大的中性線電流，使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值，造成設備的不安全運行。諧波對電網的安全性、穩定性、可靠性的影響還表現在可能引起電網發生諧振、使正常的供電中斷、事故擴大、電網解裂等。

2.引起變電站局部的并聯或串聯諧振，造成電壓互感器等設備損壞;造成變電站系統中的設備和元件產生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動機等設備發熱，電容器損壞，并加速絕緣材料的老化;造成斷路器電弧熄滅時間的延長，影響斷路器的開斷容器;造成電子元器件的繼電保護或自動裝置誤動作;影響電子儀表和通信系統的正常工作，降低通信質量;增大附加磁場的干擾等。

(一)對電力電容器的影響

當配電系統非線性用電負荷比重較大，并聯電容器組投入時，一方面由于電容器組的諧波阻抗小，注入電容器組的諧波電流大，使電容器過負荷而嚴重影響其使用壽命，另一方面當電容器組的諧波容抗與系統等效諧波感抗相等而發生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大使電容器過熱而導致損壞。因此，電壓諧波和電流諧波超標，都會使電容器的工作電流增大和出現異常，例如，對于常用自愈式并聯電容器，其允許過電流倍數是1.3倍額定電流，當電容器的電流超過這一限制時，將會造成電容器的損壞增加、發熱異常、絕緣加速老化而導致使用壽命降低，甚至造成損壞事故。同時，諧波使工頻正弦波形發生畸變，產生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質中引發局部放電，長時間的局部放電也會加速絕緣介質的老化、自愈性能下降，而容易導致電容器損壞。

按照電力系統諧波管理規定，電網中任何一點電壓正弦波的畸變率(各次諧波電壓有效值的均方根與基波電壓有效值的百分比)，均不得超過表1規定。

表1 電網電壓正弦波形畸變極限值

用戶供電電壓(kV)總電壓正弦波形畸變率極限值各奇、偶次諧波電壓正弦波形畸變率極限值(%)

0.38542

6或10431.75

35或66321

1101.510.5

(二)對電力變壓器的影響

1.諧波電流使變壓器的銅耗增加，引起局部過熱，振動，噪聲增大，繞組附加發熱等。

2.諧波電壓引起的附加損耗使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，當系統運行電壓偏高或三相不對稱時，勵磁電流中的諧波分量增加，絕緣材料承受的電氣應力增大，影響絕緣的局部放電和介質增大。對三角形連接的繞組，零序性諧波在繞組內形成換流，使繞組溫度升高。

3.變壓器勵磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過大，這種諧波電流在發生諧振時的條件下對變壓器的安全運行將造成威脅。

(三)對電力避雷器的影響

變電站大容量、高電壓的變壓器由于合閘涌流的過程時間比較長，能夠延續數秒或更長的時間，有時還會引起諧振過電壓，并使相關避雷器的放電時間過長而受到損壞。這一問題對選擇保護高壓濾波器中電感或電容元件用的避雷器參數帶來較大的困難。

(四)對輸電線路的影響

1.諧波污染增加了輸電線路的損耗。輸電線路中的諧波電流加上集膚效應的影響，將產生附加損耗，使得輸電線路損耗增加。特別是在電力系統三相不對稱運行時，對中性點直接接地的供電系統線損的增加尤為顯著。

2.諧波污染增大了中性線電流，引起中性點漂移。在低壓配電網絡中，零序電流和零序性的諧波電流(3次，6次、9次……)不僅會引起中性線電流大大增加，造成過負荷發熱，使損耗增加，而且產生壓降，引起零電位漂移，降低了供電的電能質量。

(五)對電力電纜的影響

諧波污染將會使電纜的介質損耗、輸電損耗增大，泄漏電流上升，溫升增大及干式電纜的局部放電增加，引發單相接地故障的可能性增加。

由于電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，在系統負荷低谷時，系統電壓上升，諧波電壓也相應升高。電纜的額定電壓等級越高，諧波引起電纜介質不穩定的危險性越大，更容易發生故障。