电力系统中的谐波和谐波抑制

一、前言

电力系统中谐波的存在危害是多方面的，如影响线路的稳定运行和电网的质量，减少变压器的实际使用容量，缩短电力电容器的使用寿命，甚至谐波严重时，还会使电容器击穿或爆炸，谐波还会干扰通信系统，引起电力测量不准确等多方面的危害，逐渐引起了人们的高度重视。

二、谐波的产生

电力系统谐波来自于3个方面：一是发电机质量不高产生的谐波；二是输配电系统产生的谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。

1、发电机的谐波 发电机在实际运行时，气隙磁场非严格正弦波，含有一定谐波成分，因此发电机输出电压本身就含有一定谐波，但一般来说很少。谐波电压的幅值和频率取决于发电机本身结构和工作状态。

2、输配电系统的谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，该谐波主要是磁路非线性引起的。变压器的原边绕组通常加的是正弦电压，变压器的励磁电流产生磁通，由于磁路的非线性，要产生正弦波磁通，励磁电流应为尖顶波，若励磁电流为正弦波，磁通将为平顶波。若励磁电流为尖顶波，则作为受电端的变压器的原边，电流中含有谐波；若磁通为平顶波，那么副边相电压将为非正弦波，输出电压就含有谐波成分。

3、用电设备的谐波 在用电设备中，主要有下面一些设备产生谐波。

（1）晶闸管整流设备。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而经电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%，接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随着电容值的增大而增大。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

（2）变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频器调速的发展，对电网造成的谐波也越来越大。

（3）电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流。

（4）气体放电的电光源及家用电器。对于荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电的电光源，因这类电光源的伏安特性的非线性十分严重，会给电网造成奇次谐波电流。另外对于具有调压整流装置的家用电器，也会产生较深的奇次谐波。

三、谐波的抑制措施

（一）、发电机与输电网产生谐波的抑制方法

对发电机本身来说，产生的谐波一般很少。要减少输电网本身产生的谐波，可以从以下几个方面着手：

（1）尽可能采用高压直流输电。因为这种形式的输电很少有谐波存在。

（2）对低压供电线路尽可能采用地下电缆，在长距离的电缆线路中要注意避免谐波谐振。

（3）做好大楼建筑接地系统的设计与实施安装。即要考虑一定数量的谐波影响，保证足够的导线截面等。

（二）、电力设备产生谐波的抑制方法

1、电力电容器

为避免电容器因谐波电流造成本身的损坏与电网谐波扩大，常采用串联电抗器的方法来抑制谐波。具体的要求是根据检测出的谐波情况恰当选择串联电抗器的百分电抗值（电抗器的感抗值XL与电容器的容抗值XC之比的百分数）。经分析计算，由主要存在的谐波次数来选择的电抗器的百分电抗值的情况如表1所示。

表1 电力电容器串联电抗器的选择情况

谐波次数

5

7

≥

6、8、13

≥6

≥

XL=6%XC

XC=1/2ƒnC

XL=2ƒnL

ƒn———n次谐波的频率（Hz）

C、L———电容器的电容量与电抗器的电感量

由上式可计算出时ƒ5或ƒ7所串电抗器的电感量的大小。

2、电力变压器

电力变压器的绕组采用D，y接法或Y，d接法能有效的抑制3的倍数的谐波。采用D，y接法时3的倍数谐波电流在一次侧绕组中流通，使得一、二次侧感应电势为正弦波形，不含3的倍数谐波；采用Y，d接法时，一次侧Y绕组中无3的倍数谐波电流流通，一、二次侧感应电势含有3的倍数谐波，并在二次侧绕组中产生3的倍数谐波电流，该谐波电流产生的磁通与一次侧的3的倍数谐波电流的磁通基本抵消，结果使得一、二次侧的感应电势为正弦波形，不会有明显的3的倍数谐波。

如果有的变压器非要采用Y，y或D，d接法，建议在低压侧增设一组△连接的稳定线圈，进一步抑制3的倍数谐波。

（三）用电设备产生谐波的抑制方法

在用电设备产生的谐波中，由晶闸管整流设备所产生的谐波占有很大比重，是主要的谐波源。本文仅谈论对晶闸管整流设备所产生的谐波的抑制措施，常用方法有下面一些。

1、晶闸管整流设备中的整流变压器采用D，y或Y，d接法。从前面论述可知，变压器采用这两种接法可有效地抑制3的倍数谐波电流。

2、采用带移相绕组的整流变压器。这种方法适合有多台晶闸管整流设备的情况。如有3台整流设备，我们可以把1、3两台设备的整流变压器带有移相绕组，通过移相使3台整流变压器的相位互差一个角度（当前多采用±7.5°或±10°的移相角）。对整个交流侧电源而言，就相当于组成脉动18次的电压波形，即改善了电网电压波形，有效地抑制了高次谐波。

3、增加整流相数。因为整流相越多，整流后直流电压与电流的脉动系数就越小，高次谐波的含量也就越少。

4、减少晶闸管的相控角。相控角（又称触发角）的大小会影响谐波电压与功率因数的大小，减少相控角能减少谐波电压的含量，同时也能提高设备的功率因数。这是因为相控角越小，整流输出的电压波形就越接近正弦波。

5、采用调谐滤波器。调谐滤波器是针对性的对某次或几次含量较大的谐波进行吸收的装置。一般由R、L、C等元件组成串联谐振回路，安装在变压器初级侧母线上。由于它对谐波电流呈现很小的阻抗，因而被吸收而不会流入电网。调谐滤波器有单调谐、双调谐与高通滤波器等几种型式。单调谐滤波器是对某次谐波的频率谐振，双调谐滤波器是对某两次谐波的频率谐振；高通滤波器是在某高次（如11次）谐波频率以上有很宽频带的低Q值滤波器。

6、采用性能良好的触发系统。在设计晶闸管的触发系统时就考虑到谐波问题，如采用“过零触发”、“数字式控制”等方案。这往往比专门设置的抑制谐波的电路更经济而又有效。