谐波对电力系统的危害及预防措施

随着工业生产自动化的不断提高，半导体器件的问世发展，特别是大型可控硅及逆变器等非线性负载的逐步增多，而这些非线性负载能把高次谐波电流注入电网。从而引起电网系统电压和电流波形发生畸变，使电网受到严重污染。
　　高次谐波就是频率为基数倍的一系列波的“总汇”。工频系统的二次谐波频率为100HZ，三次谐波的频率为150HZ，依次类推。电力系统中高次谐波与基波合成的结果是造成电网电压波形畸变的主要因素，高次谐波的畸变次数及振幅值的大小，将决定对电网污染，破坏的程度，及对用电设备的危害大小。高次谐波最主要来源于：个人计算机，各种硅整流设备、含有二极管（电容式）电源设备、电弧炉设备、中频电源设备、各种变频逆变器、斩波器等装置。其中对电网污染最重、对用电设备危害最大的当属可控硅中频电源和炼钢用的电弧炉设备。下面主要讨论高次谐波的危害及预防措施。
　　一．高次谐波对各种电气设备的危害：
　　非线性负载产生的谐波电流，能够在电力系统的某些设备上明显的反映出来，常见的有变压器和中性线。在电动机、发电机和移相电容器中也有些表现。
　　由于电压畸变，所含的高频成份将造成发电、输电、变电、配电和用设备过热、损耗增大、系统过电压、失控等。工频电流在输电导线截面内是均匀分布的，而高频电流则产生严惩的趋肤效应，使导线有效电阻增大。如300mm2导线，通过工频电流时，靠近中心一半工半面积上的电流密度为平均值的90%，表面一半面积上为100%，这时，电流密度为平均值的90%，表面一半面积上为110%，这时，电流在导体上的总的损耗为内外两部分之和。
　　Ii2Ri+I02R0=((0.9/2)I)2.2R+((1.1/2)I)2.2R=1.01I2R
　　随着频率的升高，趋肤效应也越来越加显著，有效电阻也越大。300HZ时为1.21倍，420HZ时为1.35I2R。由于电流波形畸变，流过导体的电流除基波外，又增加了高次谐波电流分量。接有大量非线性负载的电网损耗将增大，导体发热更加严重，系统用电设备也将工作不稳定等。
　　中性线：在三相四线制系统中，中性线将受到接在相电压上的非线性负载的影响。在正常情况下，三相线性负载平衡时，中性线的电流为零。当存在非线性负载时，某些高次谐波即奇次谐波会在中性线里叠加起来。如由三次谐波序列构成的负载电流越来越多时，更多的未被抵消的电流将会在中性线中流动。在这种情况下，中性线的过电流还会在中性线和接地线间产生高于正常的电压迭落。旭果中性线电流特别大，甚至超过其导线额定电流的80%，则必须要切除部分次要负载，否则就必须增加中性线的截面积。
　　电力线路，当谐波电流通过架空线时，可能产生串联谐振，甚至造成危险的过电压。电力电缆在谐波电压作用下，其绝缘材料会因所含的少量气体电离并经一毓电气、机械、物理和化学变化而加速老化。绝缘强度降低，泄漏电流增大，使寿命缩短。如正常工频电流电压下，寿命为25年，而在含有五次、七次谐波电流电压作用下，寿命仅为9年。谐波的危害可见一般。高频大幅度谐波还可能引起局部放电，产生内部击穿情况。
　　实例1，我厂总降至钢炉变压器6KV油浸纸绝缘电缆，是80年前后铺设的。该电缆于93年5月起，多次发生短路故障，最近的一次时间间隔为1个月。测试中发现该电缆绝缘降低，泄漏增大，现在该电缆已报废。电弧炉即上述提到产生高次谐波的设备之一，是造成该电缆提早退出运行的原因。
　　谐波对变压器的危害：当较高频率的电流注入变压器时，将产生趋肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加损耗与变压器铁芯有关的铁损亦有增加。于是变压器将产生相当大的热量。如果变压器一次侧接线为三角形，二次侧接线为星形，那么非线性负载将使该变压器承受额外过热之害。由于非线性负载使支路电流含有较多高次谐波电流，而诸奇数谐波电流不但不能抵消，反而会叠加，以谐波电流在中性线中流动。当该电流返回星形结线的二次绕组时，它被感应到角结线的一次绕组，并形成环流。这个环流成为产生额外热量的原因，且对谐波电流本身产生的热量起助长作用。谐波电压还会使变压器激磁电流增大，效率降低，功率因数变坏。当谐波电压长期存在且较为严重时，将会危及变压器主绝缘。
　　对电容器的危害：由于电力系统线电压的畸变，电力电容器损耗增加、过热。电容器是频率的敏感元件。电力电容器在电力系统中如同一个谐波吸收器，将使电容器严惩过电流。电容器和电力系统中的感性元件也能形成谐振电路，如果这个揩振回路的频率等于或接近系统中某次谐波分量的频率，就会产生谐振，造成过电压、过热。
　　谐波对感应电动机的危害主要是电压谐波畸变会使三相感应电动机过热，如长期有谐波存在，将对电动机的运行寿命构成严重危胁。谐波对配电盘的危害的基本征兆是发热，或是由过热造成损坏。在配电盘里，可能出现的过热点是中性母线及其连接点，它们往往载有过量的中性线电流。谐波还会使各种表计误差加大，使电讯线路产生干扰。
　　高次谐波其它危害还有：使半导体器件本身有误触发、丢脉冲等，使电力系统无功功率增加，功率因数下降。同时对一些电子设备，仪器也将产生程度不同的影响，以至于不能正常使用。
　　实例二：笔者于97年，对我厂北方管件公司6KV电缆进行预防性试验时，发现试验用仪器根本无法使用，升压到1KV时，仪器内部保护即动作。空机试验也无法升压。当时怀疑仪器本身有故障，可是该仪器在其它区域测试时，一切正常。后来，又到北方管件测试时，一切正常。通过对该公司电源质量的测量，发现该电源中工频电流有严重的高次谐波，高次谐波是造成电子设备无法正常工作的主要原因。后期对高次谐波的产生，做出了相应的预防措施。
　　二． 高次谐波的防止对策：
　　综上所述，大量非线性负载的授入，交流工频电流将成为含有高次谐波的畸变电流，它们流经电源和系统中的阻抗时，使供电电压波形发生畸变，这给电网及系统中运行的设备、仪器带来很大的危害，因此，研究抑制消除电力系统中的高次谐波，确保电力系统免遭污染侵害是十分必要的。
　　消除或抑制谐波的对策可以两方面考虑。一是从非线性负载本身入手，使它们尽可能减少谐波电流的注入量。二是设法改变系统中谐波电流的流向，以消除和防止谐波的影响。通常的做法有：
　　1．在非线性负载回路增设谐波滤波器。主要适用于可控硅整流装置，中频电源装置及各种电子逆变器等。滤波器可以对某些谐波产生强烈的吸收作用，以减少谐波电流有含量。采用单调谐滤波器可以对5—13次谐波进行滤波，对17次以上的谐波则应采用高通滤波器结线。
　　2．对非线性负载的供、配电回路要分开独立设置，供电电变压器必须使用Y/△接线方式，即一次侧为Y接，二次侧为角接。其它用电设备不宜与非线性负载共用一台供电变压器，如从经济角度考虑，需用一台变压器供电时须对非线性负载产生的谐波电流成份予以防治，以确保其它用电设备的可靠、安全使用。
　　3．对变压器的保护方法
　　保护变压器的一个途径是把变压器上的负载量限制在其额定值的某个百分数范围内。这被称为降低变压器额定容量法。这是美国计算机和商业设备同业协会提供的方法。采用这种方法降低额定容量，必须测量变压器二次侧各相的有效值和瞬时尖峰值。这种方法比繁琐，也不特别试用。在负载处安装谐波滤波器，不但能消除该变压器的谐波电流，而且可以防止高次谐波串至连接在这个电力系统上的其它易受影响的用电设备。也可以采用更强的冷却方式，以降低变压器因高次谐波引起的额外的热量。
　　4．保护感应电动机的方法：
　　感应电动机对供电线路电压谐波畸变率特别敏感。一般经验证明，电动机供电电压的总谐波的畸变率不应超过5%。为此，感应电动机应接在一条独立馈线上，其端电压的畸变就会减少。此外，应该采取减少给非线性负载供电的线路的阻抗的措施，即增大导线截面积。或在非线性负载处增加谐波滤波器。
　　谐波问题在没有得到很好的解决之前，只能会越来越严重。随着我国工业自动化水平不断提高，对电网的供电质量的要求也会越来越高。在不久的将来，谐波污染，侵害电力系统情况会逐步得到根治。