吳 云

摘要：文章介紹了非線性負載所產生的諧波危害及解決措施，重點包括產生諧波的原因、諧波危害、解決措施等。
  關鍵詞：電力系統 諧波 危害 措施
1、前言
理想的供電應是單一恒定頻率與規定幅值的穩定電壓。但是隨著各種新型高效、多功能用電設備的不斷更新，由于這些用電設備的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，使電網電壓、電流波形不同程度畸變成非正弦波。對非正弦波作傅立葉級數分辨，其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率大于基波的分量稱為諧波，諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。
如今廣泛使用的負載大部分是非線性的，如開關電源、整流器、節能燈、計算機、尤其是變頻器。這些非線性負載會產生大量的諧波電流并注入到電網中，使電網電壓產生畸變，這種諧波“污染”會對電網和用戶產生嚴重的危害。另外，沖擊性負載、波動性負載，如電弧爐、焊接設備等在運行中不僅會產生大量的高次諧波，而且使得電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴重，危害電網的安全運行。
2、諧波產生的過程
諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波，如下圖所示。

諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。
3、諧波的分類與危害
（一）電力側諧波
①、電力側諧波主要是指由于大型電力設備，如電弧爐，整流器，變頻器等產生的諧波。主要損害作用于電力傳輸網配電系統、變壓器、電容器、斷路器等電力設施。電力側諧波次數一般為2≤n≤40(100HZ-2KHZ)電力側諧波能量大，對設備有明顯物理損害，但對控制設備干擾不大。
②、電力側諧波的危害主要表現為：
.增加輸、供電和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低輸出功率，降低設備的利用率和效率,影響電網及各種電氣設備的經濟運行。
.諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網的諧波頻率位于在諧振點附近的諧振區內時，使輸電線路和電力電纜過熱，造成絕緣老化、擊穿。
.諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。
.含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波諧振，使故障加劇。              .大大增加了電網中發生諧波諧振的可能，諧振會導致很高的過電壓或過電流，致使影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性：使電力開關，斷路器誤動，引起嚴重的事故。
（二）用戶側諧波
①、用戶側諧波主要是指由于工業，商業用戶的計算機，家用電器，變頻空調等產生的諧波。主要作用于控制設備，如PLC，計算機精密檢測儀器等。用戶側諧波次數范圍一般為40≤n(2KHZ-10MHZ).用戶側諧波能量小，對設備無明顯物理損害，但是嚴重干擾控制設備的正常工作。
②、用戶側諧波的危害主要表現為：
.對通訊系統工作產生干擾，影響網絡正常工作。電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。
.使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發生波動變化，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統、程序出現錯誤，死機，嚴重甚至損害機器。
.使PLC死機，丟失數據，影響數控機床、核磁共振等精密設備的正常工作。影響雷達等設備測量精度。
此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產生不良影響，它已經成為當前電力系統中影響電能質量的大公害。
很多用戶的設備，如計算機，PLC，核磁共振儀等精密設備，不僅是諧波的受害者，同時也是諧波的產生源，對于諧波的保護，需要一種范圍廣，效果好，貼近用戶設備的全面諧波保護方案。
4、諧波的治理及保護措施
治理，保護諧波，抑制輻射干擾和供電系統干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。
（一）諧波治理及保護措施
①使用無源濾波器或有源濾波器；
.無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩定、不改變的系統。主要包括單調諧波回路和高通濾波回路，安裝在6KV/10KV/35KV母線側，能夠將諧波完全或大部分吸收，以維護良好的用電環境，保障電氣設備的正常運行。同時還可以提高電網的功率因素，收到良好的經濟效益。
.有源濾波器其主要是實時監測電網中由非線性負載產生的電流波形，分離出諧波部分，將其反相，在通過IGBT逆變器的觸發將反相電流注入到電網中，實現濾除諧波的功能。方案見下圖

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法；
由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。
③使用無諧波污染的綠色變頻器。
綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。
變頻器中的低諧波技術可歸納如下：
逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量。
整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。
  逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。
  采用新的變頻調制，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。
結論
  綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將非線性負載所產生的諧波控制在最小范圍內，達到合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。