谐波对电网的危害及治理对策论文
摘要：谐波治理是一项系统工程，国内谐波治理的难点不在技术层面，因此，通过严密的管理和过细的工作取得用户支持，切实有效地开展谐波治理显得尤其重要。目前，电力部门普遍对主电网谐波污染高度重视，但忽略对日益发展壮大的电网的谐波治理。
1、引言
随着我国国民经济的快速发展，大功率整流设备、变频调速设备、换流逆变器设备等在配电网中得到广泛应用，给配电网注入了大量的非线性阻抗特性，导致电网波形出现严重畸变现象，电网中的谐波问题严重，在很大程度上对电力系统及电气设备造成危害。
2、谐波的基本特性和测量 （1）谐波的概念
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍数。理论上看，非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系，这类负荷的电流不是正弦波，且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外，还可能产生低于基频的次谐波，或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故，而导致系统进入暂态过程引起的谐波，将不归属谐波治理的范畴。
（2）谐波的类型
谐波按其性质和波动的快慢可分成四类：准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定，推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。
国标GB/T 14549-1993采用观察期3s有效测量的各次谐波均方根值的95%概率作为评价谐波的标准。为简便实用，将实测值按由大到小的方式排序，在舍去前5%个大值后剩余的最大值，近似作为95%的概率值。
（3）谐波的测量
通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说，将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点，测量该点的电压和注入公共电网的电流后，通过对电压和电流的分析，取得谐波测量资料。
电网中谐波源定位，一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种：非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理，只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
3、谐波对电网的危害
电网中产生的谐波达到一定的程度时，会对电网运行、电网中电气设备以及连接的负载都会产生严重危害，主要表现在以下几个方面：
3.1谐波对电网运行的危害
谐波对电网运行的危害主要有：（1）谐波可使电力系统发生电压谐振，从而在线路上产生谐振过电压，这就有可能使线路和设备的绝缘被击穿，造成短路事故；（2）谐波还可造成系统的继电保护和自动装置误动作，影响系统的正常运行；（3）谐波量大时能使系统中反应工频正弦量的多数监视、测量仪表出现误差；（4）谐波的存在不仅影响通讯系统通话的清晰度，严重时会产生谐振干扰整个通讯系统；（5）谐波还会影响功率因数补偿效果；（6）谐波严重时可使计算机系统失控。
3.2谐波对电网电气设备的危害
谐波对电网电气设备的危害主要有：（1）对发电机、电动机的影响：感应电动势中的高次谐波在同步电机气隙中磁性磁场沿电枢表而的分布一般呈平顶波形。利用傅里叶级数可将其分解为基波和一系列小波形。谐波次数V=1、3、5、7，高次谐波电动势的存在，使发电机的电动势波形变坏，而且发电机本身的杂散损耗增大，温升增同，串入电网的谐波电流还会干扰通信；（2）对变压器的影响：由于变压器中磁路常出现饱和状态，这时，励磁电流中会出现三次谐波磁通，它通过油箱壁或其它构件时，将在这些构件中产生涡流损耗，从而使变压器效率变低，缩短变压器的使用寿命；（3）对电力电容器的影响：谐波电压加在电容器两端时，电容器对谐波电流呈现较小的阻抗，且谐波次数越高，阻抗越小，因此电容器很容易发生过载甚至烧毁。
4 谐波治理的最初方法： LC无源滤波器
单调谐滤波器
高通滤波器（效果并不理想） 双调谐滤波器（用的很少）
单调谐滤波器对某一频率的谐波呈现低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。
造成电容器过电流
当谐波频率增大时，XTR 增大而XC 减小。这使得谐波电流大部分都流往电容器造成电容器过电流和过负荷。此时电容器运行电流（Irated）：电容器额定电流（I1）及电流入电容器的谐波电流（IH） ，若运行电流大于1.3倍额定电流时电容器将迅速故障 。
5 抑制高次谐波的措施
当电容器组容量较大，距谐波源较近时，必须采取加装滤波装置或串联电抗器的办法，对谐波加以抑制。
安装串联电抗器的作用主要有两方面：一是电容器的充电涌流与短路电流，二是抑制高次谐波对电容器的影响，另外当断路器在开断过程中发生重燃时，串联电抗器有抑制的作用。因此在下列情况下，应装设串联电抗器。
（1）变（配）电站的电容器组发现有谐振现象或因谐波引起电容器过负荷时，必须装设串联电抗器。
（2）采用三角形接线的一次变（配）电站的电容器组，除合闸涌流及消除谐波需要以外，如果没有适当的短路故障的措施，也应装设串联电抗器。
（3）变（配）电站装有2组或2组以上的电容器并列运行，为调整电网运行电压，有分别投切电容器组的操作时，应该装设串联电抗器。
串联电抗器容量的选择
对于并联电容器回路而言，一般不存在偶次谐波。并且，在中性点不接地星形连接电容器组的相电流中以及三角形接线的相电压中，都不包括3次谐波，因此高次谐波，主要是5、7、1l … 次谐波。为了抑制谐波一般均采用电抗值为电容器组容抗值的6%的电抗器，不仅可以抑制谐波电流，而且又可以合闸涌流，对5次及以上的高次谐波都可起到抑制的作用，基本上消除了谐波谐振的可能。串联电抗器后.合闸涌流倍数K为：
假如变电所母线直接接有发生谐波的整流装置（如图1（a）所示的系统图），谐波电流由整流装置发生，分别流人电容器组和电力系统。由图1（b）
中的等效回路可以得出下列关系式： 式中：n一凯波次数； lcn电容器流的N次凯波电流； lbn一变压器的n次凯波电流； la一总n次凯波电流； xBN一变压器侧等值感抗；
从上式可见：当（nXL-Xc/n）>0，即电容器组回路呈电感性时，可使谐波电流减小。当nXL=Xc/
n 时，即构成谐振条件，电容器组变成了滤波器，谐波电流将全部通过电容器组使其过负荷。当当（nXL-Xc/n）<0时，即电容器组回路呈电容时，可使谐波扩大，使母线电压波形严重畸变。
因此应满足（nXL-Xc/n）>0的条件，即XL Xc/n2，在五次凯波时，即Xl>Xc/52=0.04Xc，考虑到电抗值应有一定的裕度，所以一般取可靠系数为1.2一1.5。串联电抗值应按下式选择：
XL=1.5XC/n2=1.5XC/52=0.06X
因此电抗器的电抗值应为电容器组容抗值的6%。 6 电网谐波治理的对策
6.1针对谐波的产生和传播的特点
采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波在标准允许的范围内。
6.2加装有源谐波调节器
由于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，因此由变流器或逆变器产生的边频带和谐波用普通的滤波器来处理，难度较大。而有源谐波调节器通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变换技术，将与谐波和无功分量大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，实现滤除谐波、动态补偿无功的功能。
6.3加强管理，多方出资，共同治理
谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。
6.4加装隔离变压器
均衡的3次谐波电流传回到电源，可通过一台Dyn接法的隔离变压器来降低谐波。使用该变压器时，通常装设一个旁路的电路以避免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停止供电。在这种情况下，应采用中性线有足够大的通用四芯馈线。在重要的配电系统中，有时把隔离变压器就地装在每一配电盘上，以隔离3N次谐波电流与配电系统。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。
6.5加强标准和相应规范的宣传贯彻
IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。
6.6加装无源电力滤波器
由于由电力电子器件构成的非线性节能设备在低压配电网中被广泛应用，因此导致谐波污染相当严重，而并联电容器组的投入则会引起某次谐波的放大。过大的谐波含量可能导致电容器损坏，甚至使得系统电压严重畸变。为防止谐波放大，在该装置中每组电容器均与电抗器相串联构成无源滤波器，选择L、C参数时主要兼顾3、5次谐波的抑制问题。统一将电抗率设定为6%，使其在基波频率下呈现容性，既作为基波无功补偿装置，又兼作谐波滤波器，避免电容器组产
生谐波过电流，降低系统谐波含有率。实验结果证明该方法可以有效地抑制3、5次谐波。
6.7主管部门对所辖配电网进行系统分析
通过正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
5、结束语
谐波治理是一项系统工程，国内谐波治理的难点不在技术层面，因此，通过严密的管理和过细的工作取得用户支持，切实有效地开展谐波治理显得尤其重要。目前，电力部门普遍对主电网谐波污染高度重视，但忽略对日益发展壮大的电网的谐波治理。