供电系统中的谐波

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1、在洪电系统中谐波电流的出现已经有许多年了.过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动 装買所用的衣由交流变换为直命电的水银整流器所产主的.近年来3产生谐波的设备类型及数量均已剧 増，并将继续増长.所以，我们必狈很憤重地若虑谐波和它的不艮建响。以及如何将不良戢响减少到最 小1谐波的产生在理想的干净洪电系统中，电流和电压都是正弦波的.在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电 路里，流过的电流与施加的电压戚正比，流过的电流是正弦波在实际的洪电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就 形戚非正弦电流.任何周期性波舷均可分解为个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦

2、波.谐波频率是 基频的整倍数，例如基频为刊吃，二袂谐波为1DDH乃三次谐波则为1別卜忆因此畸变的电流波形可能 有二徹谐波、三祝谐波可能直到第三十逡谐波组戚.产生谐波的设备类型所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、 电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电气如 电视机等。0）开关模式电源（SMPS）.-大蚤数的现代电子设备都使用开关模式电源（SMPS）n它们和老式的设爸不同，它们已擀传统的降压器 和整流器替换戚由电源直接经可控制的整流器件去给存此电容器充电，然石用一种和所需的输出电压及 电济相适合的方法输出所需的直

3、流电流.这对于设备制造厂的好处杲使用器件的尺寸、价格及重量均可 犬幅度地降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能尿电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电 流.此脉冲电流含有丈量的三眾及高冷谐波的势量（2）电子荧光灯頭流器：电子荧光灯頭流器近年被犬量采用.它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而其缺点是 其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声.使用带肓功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本昂 主ra.运）直流调速传动装萱：直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，它也称作天脉冲桥式整流电路，因術在直流输 出侧每周波內有六个脉冲（在每相的半波上有吕$直流电动机的电感是荷限的，故在

4、直流电流中有 MDH工的脉动波（即为洪电频率的6倍“这就改变了洪电电流的波形-不间断电源（UP甲根据电能变换方式和由外部洪电到內部洪电所用转换方式的不同UPS有讦多不同的类型.主要的类 型肓：在线的UP乐离线的UPS和线路交互作用的UP乱由UPS洪电的负荷总是电子信息设爸，它们是 非线性的并且含有丈量的底次谐波瓊癩芯器件：在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通空度之间的关系总是非线性的.如果电流波形是正弦波（亦即电 路中串联的电阻很犬）那么磁场中会肓高凌谐波，这被认齿是强迫磁化过程.如果施加在线圈上的电压 是正弦波形（亦即吊联的电阻很小）则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则含有高衣谐波这被认为

5、是自由磁化过程.3谐波引发的间题/解决措施谐波电流在电源系统內以及装苴內均会造成间题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理； 适用于消除谐波在装苴内不良彩响的办法并不能减少谐波在电源系统內造成的畸变，反之亦然。口）装置內的谐波间题&解决措施：有几个常见多发的间题是由谐波引起的：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的 误动作等。 电压畸变：因为电源系统有內阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸变（这是产生 平顶波的根源）。此阻抗有两个组成部分：电源接口（卩（：6以后的电气装直內部电缆线路的阻抗和 PCC以前电源系统內的阻抗，用户处的供电变压器即是PCC的一例。由非线

6、性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到 与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷罡线性的负荷也杲如此。解决的办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性 负荷从同一电源接口点开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去O 过零噪声：许多电子控制器要检测电压的过零点，以确定负荷的接通时刻。这样做罡为了在电压过 零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰（EMI）和半导体开关器件上的电压冲击。 当在电2原上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率

7、就很高且难于判定从而导致:误动作。实 际上在每个半波里可有多个过零点。 中，注线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上 将流过各相3N次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。最近研究实 验发现中性线电流会可能大于任何一相的相电流。造成中性线导线发热过高，増加了线路损耗，甚至会 烧断导銭。现行的解决措施是増大三相四线式供电系统中中性线的导线截面积，最低要求妾便用与相线等截面的 导线。国际电工委员会（IEC）曾提议中性线导线的截面应为相线导线截面的200%o 变压器温升过高：接线为Yyn的变压器，其二次侧负荷产生3N次谐波电流时

8、，其中性线上除有三相 负荷不平衡电流总和外，还将流过3N次谐波电流的代数和，并将谐波电流通过变压器一次侧流入电网.解决上述间题最简单的办法罡采用Dyn接线的变压器，使负荷产生的谐波电流在变压器形绕组中循 环，而不致流入电网。 引起剩余电流断路器的误动作：剰余电流断路器(RCCB)是根据通过零序互感器的电流之和来动作 的，如果电流密和犬于甑定的限值它就将脱扣切断电源.出现谐波时尺COE误动作有两个原因第一， 因RCCB是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分重的和，所臥就会误跳闸.第二，由于有谐波 电流的缘故辛流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要丈.犬多数的便携式测壘仪表并不能测出 真实的

9、电流均方根值而只是平均值，然右假谏波形是纯正弦的再乘一个校正系数而得出读数-在有谐 波时，：遮样读出的结果可能比真实数值要1氐得多，而这就意味着脱扣器是被整定在一个十細氐的数值上现在可呢买到能检测电流均方根值的断路器，再加上真实的均方根值测量技术厂校正脱扣器的整宦值.便可保证洪电的可霏性(2)影响洪电电源的谐波问题及解决措施：&中华人民共和国电力法爪指出：用户用电不得危害洪电、用电安全和扰乱洪电胃用电秩序曜m 电营业规则中规宦？ “用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注衣电网的谐波电流和引起 .公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予禽消除由畸变电流造戚的电压畸变取:彳夬于

10、电源阻抗.阻抗愈犬则由同一电流畸变所造戚的国压畸变就愈犬. 对于m袂以下的谐波而言，洪电网络通常是感性的，所囚电源阻抗就和频率戚正比，谐波袂数越高， 所造戚的畸变就越丈.通常不可能减少供电系统的阻抗，所以需要采用别的歩骤来保证电压畸变不超过 限度.可能的解决方法育：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。 装用谐波滤波器：对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电 瓶瀟于六脉冲的控制器，痣波器可去掉加的五次谐波愎及全舸的高汝谐波，对基波戢响甚徴.黄了 嵯免増益顶峰靠近谐波，必狈用解谐的滤波器，而且可能需装多亍滤波器.在12脉冲桥路中最低灰的 谐波是11

11、咬的，此时情况比较简单。 装用隔离变压器：均衡的三次谐波电流传回到电源去的间题可以用一台接法的隔离变压器来削 弱.使用这种变压器时，通常装设一个旁路的电路以匿免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停 止洪电n在这种情况下，应采用中性线有足够犬的通用四芯馈线.在重要册配电系统申，有时把隔离变 压器就地装在每一配电盘上，使3N茨谐波电流与配电系统相隔离.隔离变压器要适当提高额定值，否 则也会产生电压畸变和过热矗装用有源的谐波调节器：由变蒞器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来虑除， 这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率.目前有源滤波器 日益推

12、广应用，它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一亍纯 粹的正弦波这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP蔽术来控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBTJo因 为设爸是与洪电系统并匿工作的，它只控制谐波电流，基波电流并不流过该滤波器.如果所需过滤的谐 波电谎比滤波器的容重犬的话(它只是简单地起限制诈用而使波形得到舸分的纠正.1.1 主要谐波负荷 谐波的危害变频器，软启动装置电弧炉，硅整流装置电气化铁路节能灯 ， 家用电器焊机1.2.谐波的危害降低发电，输电及用电设备的效率威胁电器设备的正常运行起电网局部的并联谐振和串联谐振致无功补偿电容器过负荷致继电保护和自动装置的误动

13、作干扰通讯系统起数控设备数据丢失及模块烧毁当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电 流成分，我们将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。当谐波频率为工频频率的整数倍时，我们将其称之为整数次谐波，这类谐波通常用次数来 表示。例如:将频率为工频频率5倍(250Hz)的谐波称之为5次谐波，将频率为工频频率7倍(350Hz) 的谐波称之为7次谐波，依此类推。当谐波频率不是工频频率的整数倍时，我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用 谐波频率来表示。例如：频率为1627Hz的谐波。谐波产生的原因多种多样。比较常见的有两类：第一类是由于非线性负荷而产生谐

14、波，例如可控硅(晶闸管)整流器、开关电源等，这一类 负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。例如：三相六脉波整流器所产生的主要是5次和7次谐波，而三相12脉波整流器所产生 的主要是11次和13次谐波。第二类是由于逆变负荷而产生谐波，例如中频炉、变频器，这一类负荷不仅产生整数次谐 波，还产生频率为逆变频率2倍的分数谐波。例如：使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz的中频 炉则不仅产生5次和7次谐波，还产生频率为1640Hz的分数谐波。谐波在电网诞生的同时就是存在的，因为发电机和变压器都会产生少量的谐波。现在由于 产生大量谐波的用电设备不断增加，并且电网中大量使用的并联电容器对谐波非常敏感甚至

15、会产生谐波 放大，使得谐波的影响越来越严重，从而逐渐引起人们的重视。当电网中的谐波电流较大，以至于电压波形也产生畸变时，我们将其称之为电网被污染。 电网的污染程度用电压波形畸变率来表示，简称THDu。按照国家标准GB/T1454993电能质量 公 用电网谐波的规定：10KV电网的THDu应小于4%, 400V电网的THDu应小于5%。谐波与无功电流不同。无功电流只影响电网的电压，并增加供电系统的铜损，通常不会影 响用户，也不会影响计量精度。而谐波的影响可以用“无孔不入”来形容。在电网被污染的情况下，所有 电网中的设备与负荷均会受到影响。谐波与无功还有一点不同：无功电流在没有补偿的情况下会一直传

16、 送到发电机，而谐波电流通常全部被电网中的设备与负荷吸收掉。谐波造成的危害大致列举如下：1, 由于谐波的频率较高，使导线的趋肤效应加重，因此铜损急剧增加。同时变压器铁心 由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。2, 谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能 转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机 械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会 严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。3, 精密电子设备（包括电子式电能表）会被严重干扰，导致不能正

17、常工作，甚至烧毁。4, 所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。5, 电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。6, 继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度 的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很 严重的后果。电网谐波来自于 3 个方面： 一是发电源质量不高产生谐波： 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致 和其他一些原因，发电源多少也会产

18、生一些谐波，但一般来说很少。 二是输配电系统产生谐波： 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的 非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段 上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结 构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越 远，谐波电流也就越大，其中 3 次谐波电流可达额定电流 0.5%。 三是用电设备产生的谐波： 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源 等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶 闸管整流装置采用移

19、相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的 也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显 然在留下部分中含有大量的谐波。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，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相 全控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流；如 果是12 脉冲整流器，也还有11 次及以上奇次谐波电流。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。变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设

20、备中，由于采用了相位控制， 谐波成份很复杂，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，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。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，经变压器的三角形 连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最 大可达 45%。气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放 电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的 还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流 装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中， 因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大， 也是谐波的主要来源之一。