電力系統(tǒng)諧波的危害與抑制方法

一、諧波的基本概念

在理想電力系統(tǒng)中，供電電壓和電流波形應遵循標準的正弦波規(guī)律，其頻率保持固定且穩(wěn)定。然而，在實際電力運行環(huán)境中，由于眾多非線性設備的接入，電流和電壓波形會產(chǎn)生畸變，不再呈現(xiàn)純粹的正弦形態(tài)。這種現(xiàn)象導致除了原有的基波(通常為50Hz或60Hz)外，還產(chǎn)生了一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。這些額外的正弦波分量，即被稱為電諧波。例如，在一個頻率為50Hz的基波系統(tǒng)中，可能伴隨出現(xiàn)的諧波頻率包括100Hz(二次諧波)、150Hz(三次諧波)、200Hz(四次諧波)等。這些諧波與基波相互疊加，共同形成了畸變的電流和電壓波形，進而影響了電能的質(zhì)量。

二、諧波的危害

(一)對電力設備的危害

諧波對電力設備的影響是多方面的。首先，它可能導致電力設備過熱，縮短其使用壽命。例如，諧波電流會使變壓器的銅損和鐵損明顯增加。由于諧波電流在變壓器繞組中流動，會產(chǎn)生額外的熱量，使變壓器的工作溫度升高。在存在大量3次諧波的情況下，變壓器的繞組損耗可能會比正常情況高出20% - 30%。長期的過熱會加速變壓器絕緣材料的老化，縮短變壓器的使用壽命。類似地，電動機在諧波電流的作用下，其定子和轉(zhuǎn)子繞組會產(chǎn)生額外的銅損，從而降低電動機效率，導致嚴重發(fā)熱，甚至可能因過熱而損壞。

其次，諧波還會干擾設備的正常工作，降低設備的效率。例如，諧波會導致電纜的介質(zhì)損耗增大。因為電纜相當于一個電容器，在諧波電壓的作用下，會產(chǎn)生額外的電容性電流，從而增加了電纜的損耗。并且，隨著諧波次數(shù)的增加，損耗會更加明顯。對于含有高次諧波的電力系統(tǒng)，電纜的損耗可能會是僅有基波電流時的數(shù)倍。

此外，諧波還可能引發(fā)設備故障，甚至導致設備損壞。例如，在電力系統(tǒng)中，電容器被廣泛應用于無功補償，旨在提升功率因數(shù)。然而，諧波的存在對電容器構(gòu)成了顯著威脅。當電網(wǎng)存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會使電容器過電流和過負荷，損耗功率超過上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強度大，對絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來說，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者，在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

(二)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

諧波的存在會降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。首先，諧波會引起電網(wǎng)電壓的畸變。當大量非線性負載接入電網(wǎng)時，會產(chǎn)生諧波電流注入電網(wǎng)，這些諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓降，從而導致電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變。例如，在一些工業(yè)區(qū)域，如果有多個大型的電力電子設備同時運行，電網(wǎng)電壓的總諧波畸變率(THD)可能會超過標準規(guī)定的5%，嚴重影響其他電氣設備的正常運行。

其次，諧波可能引發(fā)電力系統(tǒng)的諧振。當電網(wǎng)的電感和電容參數(shù)與諧波頻率滿足一定條件時，就會發(fā)生諧振。諧振會導致電網(wǎng)中的電壓和電流急劇放大，對電網(wǎng)中的設備造成嚴重的過電壓和過電流損壞。例如，在一個包含電容器組的變電站中，如果系統(tǒng)中存在5次諧波，且其頻率與電容器組的固有頻率相近時，就可能引發(fā)諧振，損壞電容器和其他相關設備。

(三)對繼電保護和自動裝置的影響

諧波對繼電保護和自動裝置的影響也不容忽視。隨著數(shù)字控制技術的大規(guī)模使用，很多精密負載對受電電能質(zhì)量指標提出了更高要求。電能質(zhì)量污染對這類設備的危害主要有三個方面，即在設備的監(jiān)測模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計算、導致錯誤的輸出結(jié)果。另外還會對設備的硬件，如精密電機、開關電源等造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。干擾負載的保護回路，造成誤動作等。

(四)對通信線路的干擾

諧波還會對通信線路產(chǎn)生干擾。諧波信號頻率高、能量大，可以存在電容耦合、電磁感應、電氣傳導等特性，對通信產(chǎn)生不可避免的干擾。這種干擾可能會影響通信線路的正常工作，甚至導致通信中斷。

三、諧波的抑制方法

(一)降低諧波源的諧波含量

在諧波源上采取治理措施，從源頭上最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這就需要在設計、制造和使用諧波源設備時，要注意諧波對供電系統(tǒng)及其供用電設備的影響，采取切實可行的治理措施。用電業(yè)務管理部門要嚴格把關，對于沒有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止其入網(wǎng)運行。

(二)在諧波源處吸收諧波電流

這種方法是對已有諧波進行有效抑制的方法，也是目前電力系統(tǒng)使用最為廣泛地抑制諧波的方法，具體做法有以下幾種。

?無源濾波器?：無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。這種方法由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄巍?

?有源濾波器?：有源濾波器即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。這種方法具有響應速度快、補償效果好的優(yōu)點，但成本較高。

?防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大?：在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數(shù)下，電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。

?加裝靜止無功補償裝置?：快速變化的諧波源，如電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù)。

(三)加強諧波管理

?調(diào)查研究摸清工廠諧波源的技術性能、運行操作規(guī)律?：通過調(diào)查研究，可以了解諧波源的產(chǎn)生情況、諧波成分以及諧波對電力系統(tǒng)的影響，為制定有效的諧波治理措施提供依據(jù)。

?要定期進行測量分析，采取相應措施抑制用電設備諧波分量的產(chǎn)生?：通過定期測量分析，可以及時發(fā)現(xiàn)諧波問題，并采取相應的措施進行治理。同時，要確保工廠向電網(wǎng)注入的各次諧波電流均不得超過規(guī)定的允許值。諧波是電力系統(tǒng)中一個不可忽視的問題，它對電力設備、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、繼電保護和自動裝置以及通信線路等都會產(chǎn)生嚴重的危害。因此，必須采取有效的措施進行諧波治理。通過降低諧波源的諧波含量、在諧波源處吸收諧波電流以及加強諧波管理等方法，可以有效地抑制諧波，提高電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。