谐波及其抑制

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1、9.1 谐波产生的主要原因及危害9.1.1 谐波的定义9.1.2 均方根值和畸变率9.1.3 功率和功率因数9.1.4 三相电路的谐波9.1.5 典型谐波源(产生原因)9.1.6 谐波的危害第1页/共40页谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍。的整数倍。（1 1）对称电压施加于非线性负载会引起电流波形畸变）对称电压施加于非线性负载会引起电流波形畸变（2 2）将畸变的电流展开为傅立叶级数）将畸变的电流展开为傅立叶级数（3 3）谐波：次数是基波的整数倍。）谐波：次数是基波的整数倍。（4 4）间谐波：次数为基波的非整数倍。）间谐波：

2、次数为基波的非整数倍。（5 5）次谐波：频率低于工频的间谐波。）次谐波：频率低于工频的间谐波。（6 6）谐波与暂态现象的区别）谐波与暂态现象的区别（7 7）短时间谐波）短时间谐波对应短时间的冲击电流对应短时间的冲击电流（8 8）陷波与谐波的区别）陷波与谐波的区别9.1.1 谐波的定义第2页/共40页9.1.2 均方根值和畸变率非正弦量的均方根值非正弦量的均方根值h h次谐波含有率次谐波含有率总谐波畸变率总谐波畸变率总需量畸变率总需量畸变率第3页/共40页9.1.3 功率和功率因数有功功率无功功率视在功率畸变功率功率因数第4页/共40页有功功率无功功率视在功率畸变功率功率因数 假定电压波形接近正

3、弦（实际这样）假定电压波形接近正弦（实际这样）相移功率因数DPF第5页/共40页9.1.4 三相电路的谐波理论上：三相基波电压完全对称、三相电压波形完全一样理论上：三相基波电压完全对称、三相电压波形完全一样 （1）3k+1次次正序谐波正序谐波 （2）3k+2次次负序谐波负序谐波 （3）3k+3次次零序谐波零序谐波实际上：不可能完全对称实际上：不可能完全对称第6页/共40页9.1.5 典型谐波源(产生原因)（1）.磁饱和装置（2）.整流装置（3）.电力机车（4）.电弧炉（5）.家用电器第7页/共40页(1).磁饱和装置 变压器和电动机等具有铁心的设备变压器和电动机等具有铁心的设备,铁心的磁化特性

4、将铁心的磁化特性将引起谐波。工作在磁化特性的非线性区时，产生低次谐波。引起谐波。工作在磁化特性的非线性区时，产生低次谐波。在额定电压下，铁心的励磁电流含有谐波电流，但远在额定电压下，铁心的励磁电流含有谐波电流，但远小于额定电流。若重载或满载运行，则谐波不显著。但空小于额定电流。若重载或满载运行，则谐波不显著。但空载或轻载时，铁心饱和，载或轻载时，铁心饱和，3 3次谐波电流幅值增大。次谐波电流幅值增大。Y Y接法变压器单相接地时，产生大量接法变压器单相接地时，产生大量3 3次谐波。次谐波。某些小容量单相电动机的电流为近似三角波，含大量某些小容量单相电动机的电流为近似三角波，含大量3 3次谐波。次

5、谐波。过励磁运行的电动机电流中也含有谐波。过励磁运行的电动机电流中也含有谐波。第8页/共40页(2).整流装置 单相全控桥式整流器工作电流中不含有直流分量和偶次谐波，仅含奇次谐波 三相全控桥式整流器不产生3次谐波，只有6k1次谐波存在 双三相桥式整流器只有12k1次谐波存在第9页/共40页(3).电力机车 电气铁道的供电，一般有电力系统电气铁道的供电，一般有电力系统110kV110kV电网，采用双电电网，采用双电源方式，经铁道沿线建立若干牵引变电所降压到源方式，经铁道沿线建立若干牵引变电所降压到27.5kV27.5kV或或55kV55kV后通过牵引网（接触网）向电力机车供电。电力机车利后通过牵

6、引网（接触网）向电力机车供电。电力机车利用架空接触导线和钢轨之间形成的单相交流电源，经过全波用架空接触导线和钢轨之间形成的单相交流电源，经过全波整流后驱动直流牵引电动机。整流后驱动直流牵引电动机。电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，将产生将产生12k112k1次谐波和基波负序电流。其谐波经接触网和牵次谐波和基波负序电流。其谐波经接触网和牵引变电所的变压器注入电力系统。引变电所的变压器注入电力系统。接触网的电参数为分布参数，这将影响电力机车注入电接触网的电参数为分布参数，这将影响电力机车注入电力系统的谐波。机车所在位置不同，其影响也

7、不同力系统的谐波。机车所在位置不同，其影响也不同第10页/共40页(4).电弧炉谐波次数谐波次数h23457谐波含谐波含有率有率熔化期熔化期7.75.82.54.23.1精炼期精炼期2.02.1熔化期：电弧不稳定，电流数值大且不平衡、波形畸变、不规熔化期：电弧不稳定，电流数值大且不平衡、波形畸变、不规则波动则波动精炼期：电弧电流稳定，波动减小，数值小且平衡，畸变也小精炼期：电弧电流稳定，波动减小，数值小且平衡，畸变也小交流电弧炉为三相不平衡谐波电流源，冶炼过程中含有基波负交流电弧炉为三相不平衡谐波电流源，冶炼过程中含有基波负序电流注入系统序电流注入系统第11页/共40页(5).家用电器桥式整流

8、平波电源桥式整流平波电源：电视机、电脑电视机、电脑电力调节电路电力调节电路：照明调光、电热调温照明调光、电热调温h h1 13 35 57 79 9111113131515=45=450 010010017.217.212.912.98.18.14.94.94.14.14.14.13.53.5=90=900 010010053.753.717.917.917.917.910.710.710.710.77.87.87.87.8=135=1350 010010086.886.864.764.741.041.024.624.620.920.920.720.717.517.5谐波次数谐波次数h h1

9、13 35 57 79 9谐波电流谐波电流A A0.800.800.670.670.480.480.290.290.090.09%10010083.883.860.060.036.336.311.311.3第12页/共40页(6).谐波的影响和危害在电力危害方面（1）旋转电机、换流变压器等的附加谐波损耗与发热（2）谐波谐振过电压（3）电能计量错误在信号干扰方面（1）对通信系统产生电磁干扰（2）重要和敏感的自动控制、保护装置不正确动作（3）危害到功率处理器自身的正常运行第13页/共40页（1 1）对变压器的影响）对变压器的影响使均方根值电流大于额定电流，引起过载使均方根值电流大于额定电流，引起过

10、载使涡流损耗增大使涡流损耗增大使磁滞损耗增大使磁滞损耗增大零序电流、直流分量引起的磁链泄漏出铁心以外零序电流、直流分量引起的磁链泄漏出铁心以外某些元件中感应涡流增大而导致发热损坏某些元件中感应涡流增大而导致发热损坏第14页/共40页（2 2）对电动机的影响）对电动机的影响*引起附加损耗引起附加损耗效率下降、发热、附加温升效率下降、发热、附加温升*谐波电压，波磁链谐波电压，波磁链使转子中感应高频电流，产生机械使转子中感应高频电流，产生机械振动、高频噪声和谐波过电压振动、高频噪声和谐波过电压根据根据IEEE519-1992：对于低压系统，当对于低压系统，当THD小于小于5%时，任何单次谐波电压含时

11、，任何单次谐波电压含有率都小于有率都小于3%，没有必要降低电机出力；当，没有必要降低电机出力；当THD达到达到8%10%或更高时，将会出现过度发热，需要采取措施降低或更高时，将会出现过度发热，需要采取措施降低THD。第15页/共40页（3 3）对通信的影响）对通信的影响对于对称运行的输电线路对于对称运行的输电线路仅考虑仅考虑高次谐波电高次谐波电压的静电感应影响压的静电感应影响。对于不对称运行的输电线路对于不对称运行的输电线路考虑考虑谐波电压的谐波电压的静电感应影响静电感应影响与与谐波电流的电磁干扰影响谐波电流的电磁干扰影响。在电话回路内感应的杂音电动势在电话回路内感应的杂音电动势 国际电信电话

12、咨询委员会(CCITT)推荐的允许杂音电压值为 第16页/共40页 降低高次谐波对通讯线路杂音干扰影响的方法：降低高次谐波对通讯线路杂音干扰影响的方法：(1)(1)增加整流相数可以降低等值谐波干扰电流的数增加整流相数可以降低等值谐波干扰电流的数值，降低杂音电压水平。值，降低杂音电压水平。(2)(2)减少通讯线路的地中返回电流。三相电力线路减少通讯线路的地中返回电流。三相电力线路与通讯线路均采用燃架换位。将通讯线路上的谐波与通讯线路均采用燃架换位。将通讯线路上的谐波感应电压与电流分量减至最小程度。感应电压与电流分量减至最小程度。(3)(3)减小电力线路与通讯线路平行接近距离，增加减小电力线路与通

13、讯线路平行接近距离，增加通讯线路屏蔽效果。通讯线路屏蔽效果。(4)(4)在产生谐波的用户与电力系统连接点加装适当在产生谐波的用户与电力系统连接点加装适当的滤波装置。但要慎重考虑以防止产生谐振现象。的滤波装置。但要慎重考虑以防止产生谐振现象。第17页/共40页（4 4）对电能计量的影响）对电能计量的影响畸变波形下电压表的误差与电表的频率特性之间的关系畸变波形下电压表的误差与电表的频率特性之间的关系可用下式表示：可用下式表示：r r畸变波形下电表的相对误差；畸变波形下电表的相对误差；U U畸变波形电压的总有效值；畸变波形电压的总有效值；各次谐波电压分量的有效值；各次谐波电压分量的有效值；分别为各次

14、谐波频率下的频率误差分别为各次谐波频率下的频率误差(相对误差相对误差)，取自频率特性。取自频率特性。第18页/共40页9.2 谐波监测的方法、系统组成及抑制9.2.1 国内标准9.2.2 国外标准9.2.3 谐波监测的方法、系统组成9.2.4 电力系统谐波的抑制第19页/共40页9.2.1 国内标准原水利电力部原水利电力部SD126-84SD126-84国家技术监督局出面颁布了中华人民共和国国家标准国家技术监督局出面颁布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93GB/T14549-93，并于，并于19941994年年3 3月月1 1日实施日实施 国标的主题内容与适用范围国标的主题内容与适

15、用范围 本标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法。本标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法。本标准适用于交流额定频率为本标准适用于交流额定频率为50H50Hz z，标准电压，标准电压110kV110kV及及以下的公用电网。以下的公用电网。标准电压为标准电压为220kV220kV的公用电网可参照的公用电网可参照110kV110kV执行。执行。本标准不适用于暂态现象和短时间谐波。本标准不适用于暂态现象和短时间谐波。第20页/共40页谐波电压限值电网对称电压电网对称电压 电压总谐波畸变率电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率各次谐波电压含有率(%)(%)kVkV(%)(%)奇奇 次次偶偶 次次

16、0.380.385.05.04.04.02.02.06 64.04.03.23.21.61.610104.04.03.23.21.61.635353.03.02.42.41.21.266663.03.02.42.41.21.21101102.02.01.61.60.80.8第21页/共40页标准电标准电压压基准短基准短路容量路容量谐波次数及谐波电流允许值谐波次数及谐波电流允许值(A)(A)kVkVMVAMVA2 23 34 45 56 67 78 89 910101111121213130.380.381010787862623939626226261414191921211616282813

17、1324246 6100100434334342121343414142424111111118.58.516167.17.11313101010010026262020131320208.58.515156.46.46.86.85.15.19.39.34.34.37.97.93535250250151512127.77.712125.15.18.88.83.83.84.14.13.13.15.65.62.62.64.74.76666500500161613138.18.113135.45.49.39.34.14.14.34.33.33.35.95.92.72.75.05.0110110750

18、75012129.69.66.06.09.69.64.04.06.86.83.03.03.23.22.42.44.34.32.02.03.73.7标准电标准电压压基准短基准短路容量路容量谐波次数及谐波电流允许值谐波次数及谐波电流允许值(A)(A)kVkVMVAMVA1414151516161717181819192020212122222323242425250.380.381010111112129.79.718188.68.616167.87.88.98.97.17.114146.56.512126 61001006.16.16.86.85.35.310104.74.79.09.04.34

19、.34.94.93.93.97.47.43.63.66.86.810101001003.73.74.14.13.23.26.06.02.82.85.45.42.62.62.92.92.32.34.54.52.12.14.14.135352502502.22.22.52.51.91.93.63.61.71.73.23.21.51.51.81.81.41.42.72.71.31.32.52.566665005002.32.32.62.62.02.03.83.81.81.83.43.41.61.61.91.91.51.52.82.81.41.42.62.61101107507501.71.71.91

20、.91.51.52.82.81.31.32.52.51.21.21.41.41.11.12.12.11.01.01.91.9 注入公共连接点的谐波电流允许值 第22页/共40页 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，谐波电流允许值应经过一定的换算：时，谐波电流允许值应经过一定的换算：公共连接点的允许电流经下面公式分配后所得公共连接点的允许电流经下面公式分配后所得 第23页/共40页家用和低压电器的谐波限制标准 英国和欧洲电工标准委员会共同制订的英国和欧洲电工标准委员会共同制订的22555773211.51加加拿拿大大CNHS(Rec.1

21、986)127124461154第30页/共40页新新 西西 兰兰66KV3579111315172123492.31.41.00.80.70.60.50.40.366KV24681012501.20.60.40.30.2前前苏苏联联TOCT13109-871奇次奇次偶次偶次635（最大（最大10）620奇次奇次偶次偶次52.54（最大（最大8）35奇次奇次偶次偶次423（最大（最大6）110奇次奇次偶次偶次212（最大（最大4）第31页/共40页*换流器容量的限制 在实际工作中，英国将允许注入电网的谐波电流换算成在实际工作中，英国将允许注入电网的谐波电流换算成允许接入电网的换流器的最大容量。

22、法国、澳大利亚、芬兰允许接入电网的换流器的最大容量。法国、澳大利亚、芬兰等国规定了允许接入各级电压电网的换流器容量的计算方法等国规定了允许接入各级电压电网的换流器容量的计算方法。*谐波电流的限制 谐波电压是谐波源注入电网的谐波电流在电网阻抗上产谐波电压是谐波源注入电网的谐波电流在电网阻抗上产生的电压降。生的电压降。PPCPPC的谐波电压，可能是一个谐波源或多个谐的谐波电压，可能是一个谐波源或多个谐波源的谐波电流造成的。控制电网的谐波电压，必须限制每波源的谐波电流造成的。控制电网的谐波电压，必须限制每个谐波源注入电网的谐波电流。个谐波源注入电网的谐波电流。第32页/共40页9.2.3 谐波监测的

23、方法、系统组成*谐波管理工作的主要内容：谐波管理工作的主要内容：(1)(1)谐波情况的普查。谐波情况的普查。测量电网中的谐波电压、电流和谐波潮流及其方向，以查明谐波源，测量电网中的谐波电压、电流和谐波潮流及其方向，以查明谐波源，为采取措施、控制电网谐波含量提供依据。为采取措施、控制电网谐波含量提供依据。(2)(2)谐波监测点的设置。谐波监测点的设置。在电网中谐波源或其他谐波畸变严重的连接点设置装有谐波警报器在电网中谐波源或其他谐波畸变严重的连接点设置装有谐波警报器或谐波电流、电压表的监测点，监视该点谐波变化情况，以便及时采取或谐波电流、电压表的监测点，监视该点谐波变化情况，以便及时采取限制措施

24、。限制措施。(3)(3)新的谐波源负荷接入电网时的检测。新的谐波源负荷接入电网时的检测。在谐波源负荷接入电网前后，均应进行谐波测量。以便为研究谐波源在谐波源负荷接入电网前后，均应进行谐波测量。以便为研究谐波源接入电网需要采取的措施提供依据。检查谐波源接入电网后，其谐波含接入电网需要采取的措施提供依据。检查谐波源接入电网后，其谐波含量是否超过允许值。量是否超过允许值。(4)(4)谐波事故分析。谐波事故分析。在电网或电气设备出现异常或故障时，要进行谐波检测分析，如属在电网或电气设备出现异常或故障时，要进行谐波检测分析，如属谐波谐波(特别要注意谐振和放大特别要注意谐振和放大)造成的，则应采取措施，予

25、以消除。造成的，则应采取措施，予以消除。第33页/共40页*非线性用电设备接入电网的审定非线性用电设备接入电网的审定(1)(1)查明谐波源和系统的参数。查明谐波源和系统的参数。a.谐波源参数：设备的型式、台数、容量、额定电压、额定电流、接线方式、控制方式、控制角或各次谐波电流的发生量，以及电源变压器的台数、容量、额定电压和接线方式等。b.系统参数：谐波源与系统连接点的额定电压、短路容量、谐波电压和谐波阻抗等。(2)(2)谐波计算。谐波计算。目的：估计谐波源接入电网的影响以及允许谐波源接入电网时需要采取的措施。即根据谐波源注入电网的谐波电流和接入点以前的系统谐波阻抗，计算谐波电流在系统中产生的谐

26、波电压。在电网电压含有谐波的情况下，还应计算原有的谐波电压与新接入的谐波源在系统中新增加的谐波电压以及合成的电压波形畸变值。对复杂系统或有多个谐波源的情况下，计算电力系统各连接点的电压波形畸变值。对简单的配电网络，可由简易计算方法计算。在进行谐波计算时，特别要注意校验是否会产生谐波放大和谐振。第34页/共40页(3)(3)核对是否符合限制谐波标准的规定。核对是否符合限制谐波标准的规定。如果谐波源注入电网的各次谐波电流和系统电压波形畸变率均符合标准的规定值，则允许该谐波源接入电网。(4)(4)采取限制谐波的措施。采取限制谐波的措施。如果谐波源注入电网的谐波电流或系统的电压波形畸变率超过标准的规定

27、值，应研究限制谐波的措施，把谐波电流和谐波电压限制在标准规定的范围内，该谐波源方能接入电网。(5)(5)谐波实测。谐波实测。检测新的谐波源接入电网后，注入的谐波电流和在电网中造成的谐波电压是否符合限制谐波标准的规定。第35页/共40页流程图第36页/共40页9.2.4 电力系统谐波的抑制措施（1 1）减少谐波源的谐波含量）减少谐波源的谐波含量*对整流、换流设备靠增加可控硅变换装置脉冲来降低谐波对整流、换流设备靠增加可控硅变换装置脉冲来降低谐波 *改变供电系统的运行方式改变供电系统的运行方式*减少发电机产生的谐波减少发电机产生的谐波（2 2）在电容器回路串接电抗器）在电容器回路串接电抗器 （3

28、3）安装交流滤波器）安装交流滤波器 （4 4）有源滤波器）有源滤波器 第37页/共40页（5 5）加大供电系统容量和合理选择供电电压）加大供电系统容量和合理选择供电电压*加大供电系统容量加大供电系统容量 供电系统容量越大，系统等值短路阻抗就越小，母线谐供电系统容量越大，系统等值短路阻抗就越小，母线谐波电压水平就越低。波电压水平就越低。*选择合理的供电电压选择合理的供电电压 由于高压电网的短路容量大，有承担较大谐波的能力。由于高压电网的短路容量大，有承担较大谐波的能力。因此大容量的谐波设备，可以由更高一级电压电网供电。另因此大容量的谐波设备，可以由更高一级电压电网供电。另一方面，随着电器产品制造

29、技术水平的提高，已能制造出高一方面，随着电器产品制造技术水平的提高，已能制造出高电压大容量的滤波装置。电压大容量的滤波装置。选用大容量滤波器，或是用更高一级电压供电，应在进选用大容量滤波器，或是用更高一级电压供电，应在进行详细的技术经济论证后，再行确定。行详细的技术经济论证后，再行确定。*选择系统与变压器的连接方式选择系统与变压器的连接方式第38页/共40页 高次谐波都是正弦交流量，它的大小和方向与相位有关，因此可以高次谐波都是正弦交流量，它的大小和方向与相位有关，因此可以设法让次数相同、相位相反的谐波相互抵消。设法让次数相同、相位相反的谐波相互抵消。对于二个有相位差的三相系统，它们的第对于二

30、个有相位差的三相系统，它们的第5 5、7 7、1717、1919及及2929、3131次次谐波可以消除。四组有相位差的三相系统还可以消除谐波可以消除。四组有相位差的三相系统还可以消除1111、1313及及3535、3737次次等谐波。因此用两个整流桥组成的换流器分别接在有相位移的三相电路等谐波。因此用两个整流桥组成的换流器分别接在有相位移的三相电路上，组成上，组成1212脉冲的换流器可以消除第脉冲的换流器可以消除第5 5、7 7、1717、1919、2929及及3131次谐波，总次谐波，总的谐波量就由的谐波量就由6 6脉冲换流器时的脉冲换流器时的0.2460.246降到降到0.1170.117。用。用2424脉冲换流器，谐波脉冲换流器，谐波成分可降为成分可降为0.0530.053。相数倍增法。相数倍增法。（6 6）相数倍增法）相数倍增法 脉冲数的增加，大大增加了换流器的复杂性，从而使加工难度和成本大大增加。所以，这种相数倍增一般取12脉冲为最大限度。相数倍增也可用普通换流变压器，配合适当的移相变压器组成12相、18相、24相、36相换流装置。这种方式虽然克服了复杂的换流变压器的困难，但增加了移相变压器的费用，这在经济上是否合算应进行具体的分析比较。相数倍增法只有在各组整流器的负载完全一致时才能有效消除谐波。第39页/共40页感谢您的观看！第40页/共40页