・６６・２０１５年５月 市政工程 工程技术 浅谈谐波对电力系统的危害 陈磊 （国网河南省电力公司信阳供电公司 河南信阳４６４０００） 摘要：随着工业生产和电力电子技术的飞速发展，在钢铁、冶金、石油、化工等工业领域，电气设备、电力电子变换装置 日益普及，变频装置、整流装置等非线性负荷的接入，给电网注入了大量的电力谐波。电力谐波干扰导致电气设备异常和事故有 逐年增长的趋势，电力系统谐波已成为威胁电力系统和其它用电负荷安全运行的“电力公害”。本文主要介绍了电力系统中主要 谐波源及其对电力系统的危害。 关键词：电力系统；谐波；危害 中图分类号：ＴＭ７１１ 文献标识码：Ａ文章编号：１６７１５５５８６（２０１５）１７—００６６．０１ １电力系统谐波的概念 国际上通行的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正 弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波次数必须为正整 数。 当电力系统中存在具有非线性的用电设备时，即使给这些 设备供给理想的正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，即 有谐波电流存在。含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的 主要谐波源，如各种硅整流装置、晶闸管等，它们遍布于电力 系统中，按一定的规律开闭不同的电路，将谐波电流注入系统。 另外还有其他会产生谐波的设备，主要是含有铁磁非线性元件 的设备，如旋转电机、变压器等。 ２电力系统中的主要谐波源 电力系统的谐波源大致可以分为三种：第一类是含有变压 器等铁磁非线性的谐波源。这种谐波源在电力电子装置大量应 用之前，他们是主要的谐波源，现在这类谐波源在电力系统谐 波源中所占比例并不大；第二类是电弧焊机、电弧炉这种强非 线性、冲击性负载的负载，电弧炉电流中不仅含有奇次谐波， 还含有偶次谐波；第三类就是各种交直流的电力电子变换器， 该类变换装置是目前主要的谐波源。以下将对一些典型的谐波 源进行论述分析。 ２．１发电机和电动机 由于发电机和电动机都是旋转电机，产生谐波的主要原因 是结构问题，且产生的谐波含量有限，并在设计和制造时会得 到很好的补偿。国际电工委员会规定发电机实际端电压的波形 与基波的偏差在任何时刻都不得高于５％。电动机产生的谐波 量一般在０．６％一下。因此发电机和电动机不是系统主要的谐 波源。发电机产生的谐波电势只与其本身结构和运行状态有关， 基本与系统参数无关，因此可以将其视作恒压谐波源。 ２．２变压器 在电力系统中，变压器的总容量一般为发电机总容量的４ 倍以上，它是系统普遍存在的谐波源。由于变压器在系统中的 数量很大，因此变压器向系统注入的谐波不可忽视。在变压器 正常运行的情况下，电压为额定电压，铁芯工作在线性范围内， 产生的谐波含量很小。但在轻载运行时，由于负荷下降导致电 压升高，铁芯的饱和程度加深，使得铁芯此时运行在非线性段， 且此时的励磁电流占总电流比重较大，故产生的谐波对系统影 响较大。另外当变压器流过直流时，铁芯的饱和程度会很快加 重，励磁电流显著增加导致谐波含量增大。在系统出现暂态过 程，变压器铁芯的磁饱和特性使得电流波形畸变的更加严重。 ２．３换流整流装置 目前，电力系统中最重要的非线性负荷是各种基于电力电 子器件的大功率换流器。换流器本身的作用就是将电流的波形 变成我们所需要的形状，这样一来换流器自身就是一个非线性 的元件。加之其直流侧滤波装置的选择不同，也会以不同的方 式向系统注入谐波。随着系统大功率电力电子换流装置运用的 不断增多，其产生的谐波污染早已不容小视。 ３电力系统谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染。在 电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一 些研究，但那时谐波污染还不严重，所以没有引起足够的重视。 近几十年来，各种电力电子设备的迅速普及和广泛应用使谐波 污染日趋严重，由谐波引起的各种事故不断发生。由此，谐波 的危害的严重性才引起人们的高度重视。大体上说，谐波危害 主要表现在以下几个方面： （１）电力电容器引起的谐波放大 由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下 的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流 的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波 所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐 振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致 电容器因过流而损坏。 （２）增加旋转电机的损耗 谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子 和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定 子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。 另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。 （３）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命 谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增 加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。在电 缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了 介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍， 谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约６０％。 （４）增加变压器的损耗 变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近 效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外， ３的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一 额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载 的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器 的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。 （５）造成继电保护、自动装置工作紊乱 谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计 特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作 的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、 周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作 不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。 （６）干扰通讯系统 供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变 化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉 冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到１，因而会引起电磁 干扰，对通信线路、通信设各会产生很大的影响。比如电力载 波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的 影响都很大。 参考文献 ［１］林海雪．现代电能质量的基本问题Ｕ】．电网技术 ｆ２］国家标准ＧＢ／Ｔ １２３２６＿－２０００《中华人民共和国标准电能 质量公用电网谐波》 【３］肖湘宁．电能质量分析与控制 ．中国电力出版社
