电力设备中谐波的治理方法

    目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。
    所谓谐波，即理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。

    1 谐波的来源

    1.1 中频炉、电弧炉等设备是该地区谐波的主要来源
    对该地区负荷进行分析，发现主要的原因是该地区特钢工业发达，中频炉、电弧炉等作为一类高效的加热源已经非常普及。电弧炉是利用电极物料间产生的电弧熔炼金属，因此，它的电流波形很不规则，含有多种谐波(2 次到7 次)以及间谐波，这是谐波的一个重要来源。而中频炉是工频电流整流后再变为中频，再利用电磁感应来熔炼金属，因此产生大量的高次谐波，其中以5 次、7 次、11次等奇次谐波为主。这正是该地区谐波的主要来源。
    1.2 用户变压器群是该地区谐波的重要来源
    一般情况下，三相变压器由于铁芯为“日”形状，中相比边相要短一半，因此，三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路(中性点不接地或三角形接线)，励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。例如，在绝大多数配变中，都是Y， yn 接线，变压器的中间的铁柱对应的线圈即中相接的都是B相，这样的统一接法，就为3、5、7 等次谐波提供了一个分别互相叠加的条件。在该地区，现有35kV 用户变压器5 台，总容量400kVA，10kV 用户变压器约800 台，总容量330kVA。如此庞大的用户变群又成为了谐波的又一个重要来源。
    1.3 谐波的其他来源
    事实上，谐波还有其他的来源，各类生产用电如电镀、电泵等，生活用电中如电视机、电脑、荧光灯等采用开关电源或其他电力电子技术的装置，单独来看，所产生的谐波非常微小，但是由于其数量的极其庞大，也是不可忽视的一部分。

    2 谐波的危害

    2.1 谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。
    2.2 谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。
    2.3 谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。
    2.4 谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。
    2.5 谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。
    2.6 谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
    2.7 谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。
    2.8 谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。

    3 电力系统谐波治理方法

    3.1 针对谐波源进行治理
    按谁干扰，谁污染，谁治理的原则，进行谐波源当地治理。即对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装滤波装置。根据装置的原理不同，可分为无源电力滤波器(PPF) 和有源电力滤波器(APF)。
    无源电力滤波器利用电容、电感谐振的原理吸收阻止相应次谐波，从而保证电压畸变率处在较低水平。一般根据需要吸收的谐波次数，设置合适的LC参数，分别设置滤波装置。
    该地区已有用户装设了此类无源滤波补偿装置。装设5、7 次滤波装置，采用可控硅自动投切，在滤除谐波的同时，对无功也进行了补偿。本论文由无忧论文网www.51lunwen.org整理提供但此类无源装置不能满足对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求。同时还要注意不能在滤除某次谐波时，LC参数恰好是另一个谐波的谐振参数，而使此谐波放大。
    而有源电力滤波器实质上是一个大功率的谐波发生器，它通过谐波采样装置将谐波源发出的谐波采集后，再完整地复制出大小相等、方向相反的谐波，并接入电网，将谐波抵消，其产生的谐波随谐波源的变化而变化，是一种新型的滤波装置，但费用较高。
    3.2 增加整流变压器二次侧整流的相数
    对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一，其在交流侧所产生的高次谐波为tK 1 次谐波，即整流装置从6 脉动谐波次数为n=6K 1，如果增加到12 脉动时，其谐波次数为n=12K 1(其中K为正整数)，这样就可以消除5、7等次谐波，因此增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。
    3.3 改变部分运行、接线方式，减小谐波的产生、叠加、放大、产生危害的机会
    增加电网的短路容量、提高电气设备的短路比，来降低谐波对同一电网上其他设备的影响。加强运行时的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，以减少谐波电压过高对系统电器设备的影响;
有意识的将配变中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。在可能的情况下，接成Δ， yn 形，将谐波在高压侧消化。
    3.4 整流变压器采用Y/ 或/Y接线
    该方法可抑制3 的倍数次的高次谐波，以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理，当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3 的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通(三相相位一致)，而该磁通将在变压器原边绕组内产生3 的倍数次高次谐波电动势，从而产生3 的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致，只能在形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3 的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出，三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时，谐波源产生的3n(n 是正整数)次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流，不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3 的整数倍次的谐波，是抑制高次谐波的最基本方法，该方法也多用于大容量的整流装置负载。
    3.5 在设计中注意避开谐波产生谐振的机会，减小带来的影响
    根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16- 923.3.10“为控制各类非线性用电设备所产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变在合理范围内，宜采限下列措施：各类大功率非线性用电设备变压器的受电电压有多种可供选择时，如选用较低电压不能符合要求，宜选用较高电压。”也就是中频炉等大功率非线性用电设备在选型时，尽量选择较高电压。
    在无功补偿设计中除了应注意避免并联电容器与系统感抗的谐振，除了验算基波外，还需要验算3、5、7 次等主要谐波，避开这些参数，防止在该次谐波发生谐振。

参考文献
[1] 戚伟基.电力系统中的谐波分析及消除方法.
[2] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006