電力系統(tǒng)高次諧波分析

摘　要：通過對電力系統(tǒng)高次諧波產(chǎn)生的原因及危害的研究分析，著重探討電力系統(tǒng)抑制諧波的措施。
關(guān)鍵詞：高次諧波；分析；抑制措施

0　前言
　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備越來越多地問世和使用，高次諧波的影響越來越嚴(yán)重。電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運行效率，重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運行。以前，電力系統(tǒng)考核電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是電壓的幅值和頻率，現(xiàn)在世界各國都把電網(wǎng)電壓正諧波形畸變率極限值作為電能質(zhì)量考核指標(biāo)之一，正確認識諧波已成為電力工作者的重要任務(wù)之一。因此，研究和分析諧波產(chǎn)生的原因、危害和抑制諧波的措施具有重要的實際意義。
1　諧波產(chǎn)生的原因
　　在供電系統(tǒng)中諧波的發(fā)生主要是由兩大因素造成的：
　?。?）可控硅整流裝置和調(diào)壓裝置等的廣泛使用，晶閘管在大量家用電器中的普通采用以及各種非線性負荷的增加導(dǎo)致波形畸變。
　?。?）設(shè)備設(shè)計思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或裕量較大的設(shè)計?，F(xiàn)在為了競爭，對電工設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計。例如有些設(shè)計為了節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區(qū)段，而在這些區(qū)段內(nèi)運行會導(dǎo)致激磁材料波形嚴(yán)重畸變。圖1為三相六脈動整流裝置原理接線圖，此時交流側(cè)電流的傅里葉級數(shù)展開式為：

可見交流側(cè)電流含有諧波，諧波次數(shù)為（6K±1）次，各次諧波含有率為1/n.

諧波對電力系統(tǒng)的危害
　　諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，諧波源的注入使電網(wǎng)諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網(wǎng)，對各種電氣設(shè)備都有不同程度的影響和危害?，F(xiàn)將對具體設(shè)備的危害分析如下：
　　（1）交流發(fā)電機。同步電動機及感應(yīng)電動機在定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生附加熱損耗，熱損耗除諧波電流銅損I2nR以外，還由于電流的集膚效應(yīng)，產(chǎn)生附加損耗，對轉(zhuǎn)子引起熱損耗增大。對大型汽輪發(fā)電機來說，若發(fā)生多次諧波振蕩，諧波電流超過額定電流的25％時，由于上述原因可能會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部過熱而損壞。對變壓器來說，鐵芯產(chǎn)生熱損耗，尤其是渦流損耗大，在變壓器繞組中有諧波電流，在鐵芯中感應(yīng)磁通，產(chǎn)生鐵損。
　　（2）架空線路諧波電流產(chǎn)生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導(dǎo)致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會產(chǎn)生熱損，使電纜介損、溫升增大。
　?。?）電力電容器由于諧波電流會引起附加絕緣介質(zhì)損耗，加快電力電容器絕緣老化。系統(tǒng)諧波電壓或電流發(fā)生諧振則引起過電壓和過電流，對電氣設(shè)備絕緣損壞，引起噪音與振動。
　?。?）電子計算機會由于諧波干擾發(fā)生失真；工業(yè)電子設(shè)備功能會因其被破壞。
　?。?）對繼電保護、自動控制裝置和計算機產(chǎn)生干擾和造成誤動作，造成電能計量的誤差。
　?。?）諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線損外，還將對相鄰?fù)ㄓ嵕€路產(chǎn)生干擾影響。
3　電力系統(tǒng)抑制諧波的措施
　　為了把諧波對電力系統(tǒng)的干擾（污染）限制在系統(tǒng)可以接受的范圍內(nèi)，我國和國際上分別頒布了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”和IEC標(biāo)準(zhǔn)，明確了各種諧波源產(chǎn)生諧波的極限值。
　　電力系統(tǒng)抑制諧波的主要措施有：
（1）在補償電容器回路中串聯(lián)一組電抗器

如圖2，在未加Xc前，略去電阻，諧波源In母線處的諧波電壓為：Un＝Xsn·In；并聯(lián)了補償電容器后，則諧波源的輸入諧波電抗為：

此時諧波電壓，注入系統(tǒng)的諧波電流U_n,I_sn>I_n.即并聯(lián)電容器使系統(tǒng)的諧波被放大了。如果對應(yīng)某次諧波有X_sn-X_cn=0

即發(fā)生諧波，則其諧波電流、電壓都趨于無窮大。為了擺脫這一諧振點，通常在電容器支路串接電抗器，其感抗值的選擇應(yīng)使在可能產(chǎn)生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了產(chǎn)生諧波的可能性。
　?。?）裝設(shè)由電容、電感及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器
　　單調(diào)諧濾波器是針對某個特定次數(shù)的諧波而設(shè)計的濾波器，高通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器。應(yīng)裝設(shè)的濾波器類型、組數(shù)及其調(diào)諧頻率（濾波次數(shù)）可由具體計算決定。
　　如電力機車是大功率單相整流裝置，它有諧波問題，根據(jù)實測資料，韶山－1型機車電流的諧波含有率大致如表1，影響電力機車注入電力系統(tǒng)諧波電流的因素很多，如圖3所示，接觸網(wǎng)是影響因素之一，圖中Zsn為電力系統(tǒng)的諧波阻抗，供電臂全長為L，臂上只有一輛電力機車，位于離變電所l處。

　　設(shè)接觸網(wǎng)單位長度的n次諧波阻抗、導(dǎo)納分別為Zn、Yn，則其n次諧波特征阻抗Zcn和傳播常數(shù)γn

　　可見一般接觸網(wǎng)對機車諧波電流起到放大作用，當(dāng)機車處于供電臂末端（l＝L時）放大作用最大。解決牽引機車的諧波問題，一般方法是在牽引變電所裝設(shè)3、5、7各次濾波器。近年新投運的部分電力機車改用車載分次濾波器的方式，濾除3、5次諧波效果很好。
（3）增加整流相數(shù)
　　高次諧波電流與整流相數(shù)密切相關(guān)，即相數(shù)增多，高次諧波的最低次數(shù)變高，則諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改用12相或36相。當(dāng)采用12相整流時，高次諧波電流只約占全電流的1％，危害性大大降低。
　?。?）當(dāng)兩臺以上整流變壓器由同一段母線供電時，可將整流變壓器一次側(cè)繞組分別交替接成Y型和△形，這就可使5次、7次諧波相互抵消，而只需考慮11次、13次諧波的影響，由于頻次高，波幅值小，所以危害性減小。
4　結(jié)論
　?。?）諧波的發(fā)生影響整個電力系統(tǒng)的環(huán)境，如在通訊中因發(fā)生諧波噪聲使通話質(zhì)量下降，使控制和保護設(shè)備發(fā)生誤動作以及使電力裝置與系統(tǒng)過載，給電力系統(tǒng)正常運行造成危害。
　?。?）諧波的管理通常是制定用戶公共連接點處的電壓諧波含量限制標(biāo)準(zhǔn)，即制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采取相應(yīng)措施，嚴(yán)格控制，凈化電力系統(tǒng)環(huán)境。
　?。?）在測量諧波時必須注意PT與CT的精確度，否則造成誤差很大，用CT末屏分壓測取系統(tǒng)的諧波電壓具有準(zhǔn)確、方便的優(yōu)點。在超高壓系統(tǒng)諧波電壓測試中得到推廣運用。