電網諧波的產生及諧波干擾其檢測方法分析

　　0 引 言

　　隨著現代電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通等各種領域得到廣泛應用，但由于電力電子裝置是一種非線性時變拓撲負荷，其產生的諧波和無功注入電網，會使設備容量和線路損耗增加，造成發配電設備利用率的下降，影響供電質量，對電力系統的安全穩定運行構成潛在威脅。目前，諧波污染、電磁干擾和功率因子降低已成為電力系統的三大公害，因此，研究和分析諧波產生的原因，為抑制電力系統的諧波干擾提供好的檢測方法，對提高電網運行質量滿足用戶需求具有重要的實際意義。

　　1 諧波產生的原因

　　在電力系統中，電壓和電流波形理論上應是工頻下的正弦波，但實際的波形總有不同的非正弦畸變。從數學的角度分析，任何周期波形都可以被展開為傅里葉級數，因此，對于周期T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)或電流i(t)，在滿足狄里赫利條件下可以展開成如下形式的傅里葉級數，即：

　　式中：c1sin(ωt+θ1)為基波分量；cnsin(nωt+θn)為第n次諧波分量。可以看出，所謂諧波就是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數倍，這也是國際上公認的諧波定義。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍，因此通常又被稱為高次諧波。雖然在實際的電網中還存在一些頻率小于基波頻率整數倍的正弦分量，但主要研究的還是電網中存在的整數次諧波。
公用電網中的諧波產生原因主要和以下兩方面有關：

　　(1)電源本身以及輸配電系統產生的諧波。由于發電機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等制造和結構上的原因，使得電源在發出基波電勢的同時也會產生諧波電勢，但由于其值很小，一般在分析電力系統諧波問題時可以忽略。在輸配電系統中則主要是變壓器產生諧波，由于其鐵芯飽和時，磁化曲線呈非線性，相當于非線性器件，飽和程度越深波形畸變也就越嚴重，再加上設計時出于經濟性考慮，使磁性材料工作在磁化曲線的近飽和區段，從而產生諧波電流。電源和輸配電系統雖然產生諧波，但這兩方面產生的諧波所占的比例一般都很小。

　　(2)電力系統負荷端大量的大功率換流設備和調壓裝置的廣泛應用產生的諧波，如熒光燈、電弧爐、變頻設備、家用電器等。這些用電設備具有非線性特征，即使供給的是標準的正弦波電壓，也會產生諧波電流注入系統，給電網造成大量的諧波，甚至會因為參數配置問題使得局部區域產生放大，由用電設備產生的諧波所占比例很大，是電網主要的諧波源。

　　2 諧波對電力系統的危害

　　諧波電流和諧波電壓的存在，對公用電網造成了很大的污染，破壞了用電設備所處的環境，容易導致一系列的故障和事故，嚴重威脅著電力系統的安全穩定運行。諧波的危害是多方面的，主要表現在以下幾個方面：

　　(1)諧波會引起諧振和諧波電流的放大為了補償負載的無功功率，提高功率因數等，常會在系統中裝設各種用途的電容器，工頻下，電容器的容抗比系統的感抗大得多，不會發生諧振。但當電網存在諧波時，對諧振頻率來說，系統感抗大大增加而容抗大大減小，就有可能產生諧振，諧振會使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，使電容器出現過電流與過負荷，溫度增高，易導致電容器等設備被燒毀。統計數據顯示，在諧波引起的事故中有約75％是電容器和與之串聯的電抗器被燒毀。

　　(2)諧波影響系統的穩定運行和電網的供電質量在電力系統中，一般都使用各種繼電保護裝置和自動控制裝置來保證在故障情況下線路與設備的安全，而諧波會對這些裝置產生干擾，造成誤動或拒動，嚴重威脅系統的穩定與安全運行。另外，在三相四線制配電網供電時，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載會產生大量的奇次諧波，尤以3次諧波含量較多，使相線上3的整數倍諧波在中性線上疊加，導致中性線上電流超過相電流造成過負荷。而且，諧波電流的存在，增加了電網中發生諧振的可能性，極易產生很大的過電壓和過電流，不僅引發事故，還增加附加損耗，降低供電效率和設備利用率等。

　　(3)諧波影響各種電氣設備和電子設備的正常工作如對于電動機會引起附加損耗，降低效率，引起電動機過熱，并且當諧波電流頻率接近定子等零部件的固有振動頻率時，還會使電動機產生強烈的機械振動，發出很大的噪聲。對于電力變壓器，諧波會使銅耗、鐵耗增大，引起局部過熱，使變壓器噪聲增大。而且，諧波干擾會產生多個過零問題，影響電子裝置和控制電路的正常運行，計算機等工業電子設備的功能也會因為諧波干擾產生失真而遭到破壞。

　　另外，諧波還會對通信系統造成干擾，產生噪聲，降低通信質量，影響儀表等設備的精度，導致計量混亂，減少設備使用壽命等各種嚴重危害。