电力系统谐波治理的必要性和意义

一、电力系统谐波治理的必要性和意义随着科学技术的发展，工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。谐波给电力系统带来的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。因此，对谐波的研究以及如何***、治理已成为一个具有重要意义的课题。

二、电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准：

1.电压：它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；

2.频率波动；

3.电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。

相关标准和规范《电能质量公用电网谐波》GB／T14549－1993《低压电气及电子设备发出的谐波电流限制标准》GB17625.1－1998国际电工学会标准：IEC61000

美国***标准：IEEESTD519－1992

三、电力系统中的谐波

（一）谐波的定义：在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。电力谐波是频率为50HZ整倍数的正弦波电压或电流。发电厂或者发电机发出的电压是频率为50HZ的正弦波波型，称为基波，50HZ称为基波频率。频率为50HZ整倍数的正弦波称为谐波。谐波用基波的倍数表示，例如频率为150HZ的正弦波称为3次谐波，频率为250HZ的正弦波称为5次谐波，频率为350HZ的正弦波称为7次谐波，以此类推。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。

谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电流当基波和谐波叠加时，形成形状怪异的波形，这称为波形畸变。例如，下图是基波与5次、7次谐波叠加的结果，这是工业场合常见的电流波形。

在实际工程中，大多数谐波为奇次谐波，也就是3、5、7、11、13•••••。

（二）谐波电流与谐波电压

1.谐波电流：谐波电流谐波电流是非线性负载产生的，谐波电流是非线性负载产生的，这些非线性负载从电源吸取非正弦波的电流，源吸取非正弦波的电流，这些非正弦波电流中包含了谐波电流。

2.谐波电流流过线路时，在线路的两端产生了谐波电压，谐谐波电流流过线路时波电压是由谐波电***生的。波电压是由谐波电***生的。

3.如果特定的配电系统对于N次谐波电流的阻抗为Z3。如果特定的配电系统对于N次谐波电流的阻抗为ZN，谐波如果特定的配电系统对于电流IN在配电系统上产生的谐波电压V电流IN在配电系统上产生的谐波电压VN为：IN在配电系统上产生的谐波电压VN＝INXZN

（三）谐波的度量通常不用谐波电流或电压的***数值表示谐波的严重程度，通常不用谐波电流或电压的***数值表示谐波的严重程度，而用谐波在基波中所占的比例来衡量谐波的严重程度。用谐波在基波中所占的比例来衡量谐波的严重程度。

◆总谐波电流畸变率THID：THID

THID＝总谐波电流的有效值／基波电流的有效值总谐波电流的有效值／

◆总谐波电压畸变率THVD：总谐波电压畸变率THVD：THVD

THVD＝总谐波电压的有效值／基波电压的有效值总谐波电压的有效值／

◆单次谐波电流畸变率：单次谐波电流畸变率：此量用于度量某一次谐波电流所占的比例，例如N此量用于度量某一次谐波电流所占的比例，例如N次谐波电流的有效值为I基波电流的有效值为I的有效值为IN，基波电流的有效值为I1，则N次谐波电流的畸变率为：N次谐波电流畸变率＝IN／I1

◆单次谐波电压畸变率：单次谐波电压畸变率：此量用于度量某一次谐波电压所占的比例，例如N次谐波电此量用于度量某一次谐波电压所占的比例，例如N压的有效值为V基波电压的有效值为V压的有效值为VN，基波电压的有效值为V1，则N次谐波电压的畸变率为：的畸变率为：N次谐波电压畸变率＝VN／V1

◆总需求电流畸变率：TDD总需求电流畸变率：总谐波电流的有效值／基波电流的有效值（总需量）TDD＝总谐波电流的有效值／基波电流的有效值（总需量）

「注意」总需求电流畸变率TDD与总谐波电流畸变率THID十注意」总需求电流畸变率TDD与总谐波电流畸变率THID十TDD与总谐波电流畸变率THID分相近，TDD分母是用电户需求的***大基波电流有效值分母是用电户需求的***大基波电流有效值，分相近，但TDD分母是用电户需求的***大基波电流有效值，而不是基波电流的有效值。而不是基波电流的有效值。

四、谐波的来源及危害

（一）电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波***多。设备产生的谐波***多。

（A）发电设备：发电机由于三相绕组在制作上很难做到***对称，发电机由于三相绕组在制作上很难做到***对称，铁心也很难做到***均匀一致，难做到***均匀一致，发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波。

（B）输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。在系统运行中，当变压器铁心呈饱和状态时，其磁化曲线则呈非线性，当变压器铁心呈饱和状态时，其磁化曲线则呈非线性，如当变压器电源侧电压超过额定电压10％以上时，10％以上时器电源侧电压超过额定电压10％以上时，会使二次侧电压的三次谐波明显增加。波明显增加。由于电网电压偏移在&plu***n;由于电网电压偏移在&plu***n;7％以下，所以发电、变电设备产生的以下，所以发电、谐波分量都比较小，比***的考核标准低的多，因此发电、谐波分量都比较小，比***的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备。影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备。

（C）用电设备：

非线性用电设备主要有以下四大类：

A.电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。电弧加热设备

B.交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。交流整流的直流用电设备

C.交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。交流整流再逆变用电设备

D.开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、开关电源设备器等。

◆电弧加热设备：弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电弧加热设备：弧电流是非正弦波，电网的谐波污染比较大。

◆交流整流的直流用电设备：整流设备有一个阀电压，在小于交流整流的直流用电设备：整流设备有一个阀电压，阀电压时，电流为零。阀电压时，电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电在整流设备中加入了储能元件（电容和电感），），从而使源，在整流设备中加入了储能元件（电容和电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。阀电压提高，加激了谐波的产生量。

◆交流整流再逆变用电设备：在交流变直流过程中产生的谐波交流整流再逆变用电设备：与上述的交流整流直流用电设备一样，与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流。时又有逆变波形反射到交流电流。

◆开关电源设备：这类用电设备同样是单台容量不大，但它是开关电源设备：这类用电设备同样是单台容量不大，应用面***广、量***大的非线性用电设备，应用面***广、量***大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配电变压器污染到上级电网。会通过配电变压器污染到上级电网。

在电力系统中，供电电压波型是中心对称的，因此基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波。其中11、13次以上谐波由于其频率比较高，而且输电线路有一定电感量，对地又有一定电容量，相间及线间也有一定电容量。因此，高次谐波在线路传输过程中衰减比较快，同时高次谐波在电网中所占的比重也不大，故在电力行业中不作为主要治理对象。

（二）谐波的危害谐波对于配电系统以及配电系统所供电的用电设备都是十分***的，

现象电缆过热变压器过热后果电缆早期老化、绝缘损坏原因

谐波电***生的热量

缩短变压器寿命，降低变压谐波电***生更大的铜损和铁损器的有效容量零线中电流过大电缆加速老化甚至诱发火灾3次谐波在零线上叠加，电流有效值接近相线的1.7倍电网上的设备性PLC、UPS、变频器等误动作谐波电流流过电网阻抗时，产生了谐波电压，或者寿命缩短能降低这些谐波电压对电子设备形成干扰无功补偿电容过电容过热甚至损坏、谐波放谐波电流更容易流过电容，造成电容过载，谐大、电容不能投切等波电流还会诱发谐振，在电容上产生更大的谐流电机发热、振动电机绕组或轴承损坏降低发电机或UPS的额定功率发电机和UPS达不到额定的输出功率波电流，导致电容过热。谐波电流施加在电机上导致高频电流和负序电流发电机和UPS的内阻较大，谐波电流流过这些电源时，会产生更大的谐波电压，导致输出电压畸变过大，不能满足负载的要求保护设备误动作意外跳闸、断电，影响正常一般保护设备是按照正弦波电压和电流进行设生产计和校准的，不适应谐波的场合，谐波电流导致的故障现象分为两大类：为两大类：

• 导致电缆或变压器过热；

第二，导致电网上的其他设备出现误动作或性能降低。无论那类故障现象，元凶都是谐波电流，过热是由于电流直接导致的，是由于电流直接导致的，干扰其它设备是由谐波电***生谐波电压后导致的。***生谐波电压后导致的。

五、谐波的治理

在谐波治理过程中一般采用在变电所集中治理和在非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则，应该在非线性用电设备处分散治理。谐波治理主要有三方面的措施：

（一）降低谐波源的谐波含量：也就是在谐波源上采取措施，***大限度地避免谐波的产生。

◆整流设备：增加整流器的脉动数：整流器是电网中的

主要谐波源，其特征频谱为：N＝KP&plu***n;1，则可知脉冲数P增加，N也相应增大，而IN≈I1／N，故谐波电流将减少。

◆变频器：变频器和谐波治理设备配套使用，目前有些用户，往往只安装变频器，不安装配套的谐波治理设备。随着变频技术的推广，会使电网中的谐波影响加剧。

◆用户侧选用同步电动机，它一方面可以进行无功补偿，减少电压波动及电压闪变，另一方面它又能吸收一部分谐波电流，对谐波治理也有很大好处。

◆防止并联电容器组对谐波的放大：在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

（二）改善供电环境：选择合理的供电电压并尽可能保改善供电环境：持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供承受谐波的能力将会增大。承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中***和消除高次谐波。

（三）安装滤波器目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法，多采用安装滤波器来减少谐波分量。用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为KYYLB有源滤波器和KYLB无源滤波器两大类：

1. KYYLB有源滤波器是通过对电流中高次谐波进行检测并根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位的电流，从而达到实时补偿谐波电流的目的。KYYLB有源滤波器不仅具有高度可控性和快速响应性，而且可以消除与系统阻抗发生谐振的***，同时也能自动跟踪补偿变化的谐波。由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多。

2.KYLB无源滤波器：无源滤波器元件构成虑波回路，无源滤波器由L、C元件构成虑波回路，设计L、C回路在某一谐振频率呈现低阻抗（与系统阻抗相比）回路在某一谐振频率呈现低阻抗（与系统阻抗相比）而吸收谐波电流。吸收谐波电流。这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，谐波治理的目的。无源滤波器***少、结构简单、运行可靠、维护方便，无源滤波器***少、结构简单、运行可靠、维护方便，但也存在一定的缺点即滤波容易受系统参数影响对某些次谐波有放大的可能、体积大。

六、目前谐波治理存在的问题及对策在供电系统中进行谐波治理有不少困难，如非线性负荷不是24小时平稳运行的，因此谐波也是在变化的。不是24小时平稳运行的，因此谐波也是在变化的。所以采用24小时平稳运行的一个或几个固定的KYLB无源滤波器的投切，一个或几个固定的KYLB无源滤波器的投切，不可能和非线性负荷变动进行同步。KYYLB有源滤波是谐波治理的发展方向。但目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，而且成本很高，因此在现阶段不可能大量推广应用。在具体工程设计中，应根据用电负荷的特点制定合理可行的配置方案：可行的配置方案：

◆将KYYLB有源滤波器和KYLB无源滤波器配合使用。

◆对于大功率的谐波源，在谐波源处治理（可安装性能对于大功率的谐波源，在谐波源处治理（较好的有源滤波器），对于小功率的非线性负载安装性较好的有源滤波器），对于小功率的非线性负载安装性），能一般的无源滤波器。

◆根据需要，在母线上安装谐波滤波器，消除母线上的根据需要，在母线上安装谐波滤波器，谐波电流。

◆当变频器数量较多、功率不大，且集中时，通过适当当变频器数量较多、功率不大，且集中时，组合，用一台滤波器驱动多台变频器，以降低成本。