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電力系統中諧波的危害及管理措施論文
摘要：隨著電力電子技術的發展，配電網中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、啟輝器、電氣化鐵路和各種電子設備的大量推廣應用，產生大量諧波，嚴重污染電網，成為電力系統的一大公害。由于諧波加劇了電網中電壓電流波形畸變水平，導致多種不良效應，因此治理諧波污染已成為當務之急。本文介紹了諧波的危害及應采取的措施，將諧波電壓抑制在容許的范圍之內，以確保系統的運行。
關鍵詞：諧波的危害;濾波器;諧波頻率
一、諧波的定義
國際普遍定義諧波為：”諧波是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。
二、諧波的產生
向電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波的電氣設備，叫諧波源。諧波產生的原因主要有：來自客戶的非線性負載(包括：變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵路);來自系統內電氣設備的影響(變壓器中的空載電流、電抗器等)。隨著電力電子技術的發展，配電網中整流器、變頻調速裝置、電氣化鐵路和各種電子設備的大量推廣應用，產生大量諧波，嚴重污染電網，這已成為電力系統的一大公害。由于諧波加劇了電網中電壓電流波形畸變水平，導致多種不良效應。因此治理諧波污染已成為當務之急。
三、諧波產生的危害
(一)諧波可以引起電力系統的諧振
當電力系統發生諧波時可以引起電力系統局部的并聯或者串聯諧振，將造成系統中變電站內的電氣設備產生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電容器、電抗器等設備發熱，損壞，加速其絕緣材料的老化程度;造成互感器等設備損壞;造成斷路器電弧熄滅時間延長，影響斷路器的正常開斷容量;造成繼電保護或自動裝置誤動作;影響通信系統的正常工作，降低通信質量等危害。
(二)造成電容器、電抗器過熱損壞
l、造成電容器過熱損壞
當配網系統非線性用電負荷比重較大，并聯電容器組投入時，當電容器組的諧波容抗與系統等效諧波感抗相等而發生諧振時，引起電容器諧波電流嚴重放大使電容器過熱而導致損壞。同時，諧波使工頻正弦波形發生畸變，產生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質中引發局部放電，長時間的局部放電也會加速絕緣介質的老化、自愈性能下降，而容易導致電容器損壞。
2、造成電抗器過熱損壞
當系統發生諧波時，諧波電流將使電抗器的銅耗增加，導致局部過熱、振動，噪聲增大等;諧波電壓引起的附加損耗使電抗器的磁滯及渦流損耗增加，影響電抗器絕緣的局部放電和介質增大;勵磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過大，對安全運行將造成威脅。
(三)造成同步(異步)電動機過熱振動
1、造成同步電動機過熱振動
高次諧波旋轉磁場產生的渦流，使旋轉電機的鐵損增加，使同步電機的阻尼線圈過熱，感應電機定子和轉子產生附加銅損。高次諧波電流還將引起振動力矩，使電機轉速發生周期性變化。畸變電壓作用時，電機絕緣壽命將縮短。
2、造成異步電動機過熱振動
異常運行時負序阻抗很小，相當于電機的起動阻抗，所以很小的負序電壓就會在電機中產生很大的負序電流。負序電流使繞組銅損局部增大，引起局部過熱，將造成異步電機的燒毀，同時，負序電流產生的反向放置磁場引起電機振動和噪聲。
(四)諧波對電能計量裝置的影響
常用電能表計量不是只計基波功率，也不是只計基波和諧波功率，而是介于兩者之間。只計基波電量，對非線性用戶將少計電量，而對線性用戶多計電量。基波與諧波綜合作用下的所計電量，同基波結論相反。所以為了糾正計量誤差，在僅計基波電量時要求k"=0，考慮基波和諧波電量時要求k"=l。
諧波電流還能引起三相四線回路中的中性線超載。過去非線性負載較少，人們不重視諧波超載的危害，普遍認為三相四線回路內的中性線只通過三相不平衡電流，其值甚小，中性線截面只取相線截面的1/2甚至1/3。但在現時諧波電流特別是三次諧波電流大增的電氣回路中，這一做法將造成中性線的嚴重超載。中性線嚴重超載使絕緣劣化變色的隱患現象屢見不鮮，由此引起的電氣短路火災事故也屢有所聞，為此我國電氣設計規范已規定有放大中性線截面的要求。
四、仰制諧波的措施
(一)廣泛采用濾波器，仰制諧波源
抑制電力系統的諧波，在諧波源處采取抑制措施是最有效的。依據諧波的限制標準或規定，采取必要的措施來限制諧波注入電網的諧波電流，將諧波電壓抑制在容許的范圍之內，以確保系統的穩定運行。濾波器是利用電容、電感和電阻構成串聯諧振的原理，在諧振頻率處形成接近于零的低諧波阻抗，如三次諧波濾波器，調諧至三次諧波頻率處的阻抗接近于零。此時諧波電流均從濾波器的低阻抗中分流，從而抑制注入電力系統的諧波電流。在諧波源處裝設濾波器是很普遍的措旆，一般應用的無源濾波器和新開發的有源濾波器均在使用。
濾波器有單調諧濾波器、雙調諧濾波器和高通濾波器。單調諧濾波器用于吸收單一次數的諧波。雙調諧濾波器用于吸收兩個次數的諧波，用于濾除特定頻率處的諧波，即為電容、電感的串聯諧振電路。高通濾波器用于吸收某一次數及以上的各次諧波。
有源濾波器利用開斷晶閘管構成整流電路，來達到諧波補償的目的。有源波波器實際上是一個特殊的諧波源，其用來抵消負荷諧波。基本結構可分為五部分;諧波電流檢測部分用于檢測負荷電流中的諧波成分;控制系統將檢測負荷諧波電流與逆變器的輸出電流相比較，發出諧波電流控制投切信號;逆變器將直流電源的直流電流或直流電壓轉換成寬度可以調制的高頻脈沖電流;直流電源做為逆變器的工作電源使用;輸出部分將逆變器輸出的寬度不等的高頻脈沖，用濾波器濾除其高次諧波成分，得到與負荷諧波電流畸變波形相等且反相位的補償電流。
(二)改造換流設備，消除諧波影響
目前大型換流裝置一般用24相整流，個別有48相整流。相數太多，降低諧波效果又并不太明顯，反而使設備復雜化，經濟上不一定合算。所以適當增加脈沖數能減小諧波電流。如兩個6個脈沖三相整流橋，分別用Y，y12和Y，dll的電源變壓器移相30。，組合成12相換流器。
交流電壓變化一個周期時，直流電壓的脈動周波數(脈沖數)由兩個移相30。的6脈沖迭加為12脈沖。兩6脈沖換流器原有的n=12m+5和n=12m+7 (m=0，l，2，3…)次，如5、7、17、19.-次諧波全部成對抵消，這些諧波僅在6脈沖整流橋的一次側形成環流，而不注入系統。用此種方法改造換流設備投資不多，而對消除諧波十分有效。
(三)串聯電抗器抑制諧波
當并聯電容器組附近有諧波源，諧波電流超過規定允許值時，應在回路中設置串聯電抗器的抑制諧波電流，并限制合閘時的涌流。一般電網中以5次諧波為大，電抗器電抗率常取6%，若用于抑制3次諧波電流，則取13%。但在基波情況下，并聯電容器組的補償無功作用分別要抵消6%和13%。為此，電抗率也有取5%和12%，分流濾波的作用較好，電抗率4.5%和11.5%的濾波效果更好。
諧波造成的危害是眾所周知的，是全世界共同存在的問題，治理諧波一要大家共同努力，二要研制新的仰制諧波的措施和設備。抑制諧波各國科學家進行了富有成效的研究，取得了令人興奮的成果，隨著科技不斷向前發展，抑制諧波的設備、設施會不斷出現，應用于實際工作中，減小或消除諧波的危害程度。
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