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(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)的正弦波規(guī)律，其頻率保持固定且穩(wěn)定。然而，在實(shí)際電力運(yùn)行環(huán)境中，由于眾多非線性設(shè)備的接入，電流和電壓波形會(huì)產(chǎn)生畸變，不再呈現(xiàn)純粹的正弦形態(tài)。這種現(xiàn)象導(dǎo)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(gè)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(jìn)而影響了電能的質(zhì)量。

二、諧波的危害

(一)對(duì)電力設(shè)備的危害

諧波對(duì)電力設(shè)備的影響是多方面的。首先，它可能導(dǎo)致電力設(shè)備過(guò)熱，縮短其使用壽命。例如，諧波電流會(huì)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(dòng)，會(huì)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(huì)比正常情況高出20% - 30%。長(zhǎng)期的過(guò)熱會(huì)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(dòng)機(jī)在諧波電流的作用下，其定子和轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生額外的銅損，從而降低電動(dòng)機(jī)效率，導(dǎo)致嚴(yán)重發(fā)熱，甚至可能因過(guò)熱而損壞。

其次，諧波還會(huì)干擾設(shè)備的正常工作，降低設(shè)備的效率。例如，諧波會(huì)導(dǎo)致電纜的介質(zhì)損耗增大。因?yàn)殡娎|相當(dāng)于一個(gè)電容器，在諧波電壓的作用下，會(huì)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(huì)更加明顯。對(duì)于含有高次諧波的電力系統(tǒng)，電纜的損耗可能會(huì)是僅有基波電流時(shí)的數(shù)倍。

此外，諧波還可能引發(fā)設(shè)備故障，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。例如，在電力系統(tǒng)中，電容器被廣泛應(yīng)用于無(wú)功補(bǔ)償，旨在提升功率因數(shù)。然而，諧波的存在對(duì)電容器構(gòu)成了顯著威脅。當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)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(huì)使電容器過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，損耗功率超過(guò)上述值，使電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)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(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)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(qiáng)度大，對(duì)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(lái)說(shuō)，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(yán)重的情況下，還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

(二)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

諧波的存在會(huì)降低電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。首先，諧波會(huì)引起電網(wǎng)電壓的畸變。當(dāng)大量非線性負(fù)載接入電網(wǎng)時(shí)，會(huì)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(dǎo)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(gè)大型的電力電子設(shè)備同時(shí)運(yùn)行，電網(wǎng)電壓的總諧波畸變率(THD)可能會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5%，嚴(yán)重影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

其次，諧波可能引發(fā)電力系統(tǒng)的諧振。當(dāng)電網(wǎng)的電感和電容參數(shù)與諧波頻率滿足一定條件時(shí)，就會(huì)發(fā)生諧振。諧振會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的電壓和電流急劇放大，對(duì)電網(wǎng)中的設(shè)備造成嚴(yán)重的過(guò)電壓和過(guò)電流損壞。例如，在一個(gè)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(shí)，就可能引發(fā)諧振，損壞電容器和其他相關(guān)設(shè)備。

(三)對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響

諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響也不容忽視。隨著數(shù)字控制技術(shù)的大規(guī)模使用，很多精密負(fù)載對(duì)受電電能質(zhì)量指標(biāo)提出了更高要求。電能質(zhì)量污染對(duì)這類設(shè)備的危害主要有三個(gè)方面，即在設(shè)備的監(jiān)測(cè)模塊中引入畸變量、干擾正常的分析計(jì)算、導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出結(jié)果。另外還會(huì)對(duì)設(shè)備的硬件，如精密電機(jī)、開關(guān)電源等造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。干擾負(fù)載的保護(hù)回路，造成誤動(dòng)作等。

(四)對(duì)通信線路的干擾

諧波還會(huì)對(duì)通信線路產(chǎn)生干擾。諧波信號(hào)頻率高、能量大，可以存在電容耦合、電磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)等特性，對(duì)通信產(chǎn)生不可避免的干擾。這種干擾可能會(huì)影響通信線路的正常工作，甚至導(dǎo)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(shè)計(jì)、制造和使用諧波源設(shè)備時(shí)，要注意諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響，采取切實(shí)可行的治理措施。用電業(yè)務(wù)管理部門要嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)于沒(méi)有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止其入網(wǎng)運(yùn)行。

(二)在諧波源處吸收諧波電流

這種方法是對(duì)已有諧波進(jìn)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(wú)源濾波器?：無(wú)源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前采用的抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)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(dǎo)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(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。這種方法具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。

?防止并聯(lián)電容器組對(duì)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(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下，電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)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(duì)諧波的放大。

?加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置?：快速變化的諧波源，如電弧爐、電力機(jī)車和卷?yè)P(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。

(三)加強(qiáng)諧波管理

?調(diào)查研究摸清工廠諧波源的技術(shù)性能、運(yùn)行操作規(guī)律?：通過(guò)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(duì)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(jìn)行測(cè)量分析，采取相應(yīng)措施抑制用電設(shè)備諧波分量的產(chǎn)生?：通過(guò)定期測(cè)量分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)諧波問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行治理。同時(shí)，要確保工廠向電網(wǎng)注入的各次諧波電流均不得超過(guò)規(guī)定的允許值。諧波是電力系統(tǒng)中一個(gè)不可忽視的問(wèn)題，它對(duì)電力設(shè)備、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置以及通信線路等都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此，必須采取有效的措施進(jìn)行諧波治理。通過(guò)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(qiáng)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(yùn)行。