谐波治理的必要性及案例分析

1 引言

随着科技发展，电子产品大量应用，电网中谐波大量产生，作为设计人员需要了解谐波的成因及危害，以便更好地防御及治理，提高电能质量。

近年来，电气产品行业出于节能和生产的需要，积极运用新技术，大量地运用了可控变流装置、变频调速装置等非线性负荷设备。其所产生的谐波问题直接影响到了公用电网的电能质量，已引起人们的广泛重视。

2 谐波产生的原因及影响

2.1 谐波的成因

电网中的谐波主要指频率为工频（基波频率）整数倍成分的谐波及工频非整数成分的间谐波，它们都是造成电网电能质量污染的重要原因。根据大量现场测试的分析结果证实，电力变压器也是电力系统中谐波的一个重要谐波源。电力变压器的激磁电流、铁心饱和及三相电路和磁路的不对称，致使在变压器三角绕组的线电压和线电流中也仍然存在三次谐波分量，尤其在负荷低谷时，随着电网电压的升高，变压器铁心饱和程度加剧，产生的谐波含量也随之增大。随着电网大量电容装置的投运，通过对现场谐波实测发现，谐波并不是只有零序分量可被变压器三角绕组所环路，而是波及全网，并给电容装置及电网的正常运行带来影响和威胁。

在民用建筑中，UPS电源、电子调速装备、节能型灯具及家用电器中的计算机、微波炉等电力电子设备和电器设备应用的大量增加，以及医院等特殊场合的放射X光机、CT机等大型医疗设备等，使各类非线性负荷注入电网的谐波日益增多，造成电网电能质量的污染的影响也越来越大。在这些设备集中使用的地区，如医院、大型商场、居民小区、写字楼、酒店公寓等，谐波污染已相当严重。谐波污染的影响使电能质量明显下降，因此，对电能质量谐波污染的抑制和治理已刻不容缓。

2.2 谐波源的分析

2.2.1 电力电子设备

电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其它SCR控制系统等。由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路，如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性和容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。而容性负载的单相整流电路，由于电容电压会通过整流管向电源反馈，属于电压型谐波源，其谐波含量与电容值的大小有关，电容值越大，谐波含量越大。变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波，还含有非整数倍数的间谐波。

2.2.2 可饱和设备

可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。可饱和设备是非线性设备，与电力电子设备和电弧设备相比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，其谐波的幅值往往可以忽略。

2.2.3 电弧炉设备及气体电光源设备

①电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波

②气体电光源包括荧光灯、霓虹灯、卤化灯。根据这类气体放电光源的伏安特性。其非线性特性十分严重，同时含有负的伏安特性。而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量在20%以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，所有气体电光源设备属于电流源型谐波源。

2.3 谐波对各方面的影响

2.3.1 对电网的影响

①造成电网的功率损耗增加、设备寿命变短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振，使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。

②引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器等设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭的时间延长，影响断路器的开断能力；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附近磁场的干扰等。

2.3.2 对用电安全的影响

①火灾影响。一些建筑突发性火灾已被证明与电力谐波有关。目前，节能灯、调光器和电器设备中开关电源的应用很普遍，本意是节能，但这些终端设备作为谐波源，对电网的危害很大。经有关部门测定，应用电器设备较多的酒店、商厦、网吧、计算机房、居民小区等，在没有采取滤波等措施前，中性线电流都很大，有些甚至超过线电流，导致过热成为形成火灾事故的重大隐患。

②设备影响。电能质量的污染对继电保护、计算机系统和精密制造业的精密机械和仪器等，都可能影响正常的运行、操作，降低设备正常使用寿命，甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故，造成不同程度的影响和损害。

③通信影响。谐波是电网干扰通信的重要因素，主要通过静电感应（电容耦合，电压作用）和电磁感应（电流作用），在通信线路上产生声频干扰。谐波频率高时，会发生杂音，在通信线路上引起音频干扰，严重时还可能触发电话铃响。采用屏蔽电缆通信，虽可消除静电感应的影响，但不能消除电磁感应的干扰。同时，对于存在多个中性点接地的配电网络，当三相负载不对称时，零线电流将对利用大地作参考电位的通信系统，造成参考电位漂移而产生干扰。

2.3.3 对各类电气设备的影响

①对电力电容器的影响。电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况。因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串联并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。另外，用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核，电容器很少按电网实际运行情况投切，甚至只投不切，无形中使电网电压失去了应有的调节裕度，使电压偏差等电网质量指标难以控制。

②对变压器的影响。谐波电流使变压器的铜耗增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热等。变压器励磁电流中含谐波电流，引起合闸涌流中谐波电流过大，这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。

③对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发电机，将产生附加损耗，引起发电机局部发热，降低绝缘强度。同时，由于输出的电压波形中产生附加谐波分量，使负载的同步发电机转子发生扭振，降低其工作寿命。

④对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，断路器的遮断能力降低，不能遮断波形畸变率超过一定限制的故障电流，对中压断路器截断电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象，导致断路器触头烧损。

⑤对自动控制装置的影响。随着数字控制技术的大规模使用，很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面，即在设备的监测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路，造成误动作等。

3 谐波治理的方式与措施

综上所述，由于谐波对电力系统及用户的诸多影响与危害，必须采取有效措施来抑制电力系统中的谐波，目前国内外主要的治理措施有以下两种。

3.1 传统的谐波抑制方法——无源滤波器

电力无源滤波器即在电容器上串联电抗器组成，其优点是结构简单、运行可靠、维修方便，除滤波外还兼有无功补偿的功能，容量可设计成很大，与有源滤波器相比，成本较低，现广泛采用。但是，无源滤波器同时也存在缺点，一方面是无法对动态变化的谐波有针对性进行滤波；另一方面是滤除效果一般，只能达到50%-60%的程度。

3.2 新型的谐波抑制方法——有源滤波器

有源电力滤波器是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它实质上是一种大功率波形发生器，它把谐波源发出的谐波经过采样、180°移相后，再完整的复制出来，并送到谐波源的入网点，复制的谐波与谐波源产生的谐波幅值相等、方向相反，并跟随谐波的变化而变化，如此，谐波源产生的谐波就完全被抵消了。有源滤波器按照其接入电网的方式，可分为两大类，即串联有源滤波器和并联有源滤波器。近年来为了发挥有源滤波器的优势，又设计出串联混合型和并联混合型有源滤波器。有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点，但因为应运了大功率电力电子器件，其有功损耗较高，综合成本比无源滤波器高出很多，故此在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。随着微电子控制器和电力半导体器件的发展，有源电力滤波器的性价比会越来越高，而用于LC无源滤波器的电容和电抗的价格却是呈增长趋势，因此有源电力滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。

4 ANAPF低压有源滤波器在港口码头的应用案例

港口行业的蓬勃发展，在带动了其他行业发展进步的同时，对电能的需求量也逐渐增大。港口中大量气体放电类电光源,如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯,此类光源的非线性非常严重,有负的伏安特性。随着电力电子技术的发展，近年来国内港口所使用的设备普遍采用晶闸管供电的直流系统或交-交变频调速系统，且数量逐年增长。这些电能的变换装置及其用电设备属于非线性负载，是典型的谐波源。它们在工作时不仅向电力系统吸收大量的冲击性无功功率，影响电网电压稳定性，而且还对电网注入大量谐波，严重影响电网电能质量。

4.1 项目背景

宝山罗泾码头自投入运行以来，港口的装车吊机经常无故损坏，变频器经常被烧毁，皮带秤计量似乎也不准确，已经严重地影响了港口的正常运行，带来严重的负面经济效益。调查发现港口配电系统中装有大量的变频器，这些变频器带动驱动器从而使装车吊机前后移动。变频器是典型的谐波源，产生大量的谐波，而且此类工程的负载容量通常都比较大，在交流侧存在着很严重的谐波污染，正是谐波导致了罗泾码头的问题。

因为该码头装有大量的装车吊机，负载波动比较大，而谐波量的大小和负载率有着密切联系。在负载率在一定的范围内变化时，谐波电流有可能极大，在这种情况下系统的电压会产生很大畸变。这将会严重影响电机的正常运转，同时还会大大缩短变压器的使用寿命。此外配电系统中还有皮带秤和其他负载，皮带秤是敏感设备，变频器产生的谐波会通过传导、感应等方式对皮带秤控制系统产生谐波污染，进而导致皮带秤工作抖动，影响计量准确度，同时对设备的寿命、安全运行产生不利的影响,也给港口的经济效益带来了影响。宝山罗泾码头变频供电系统简图见图1。

图1：变频供电系统简图

宝山罗泾码头供电系统中含有大量的变频器。变频器是工业调整传动领域中应用较为广泛的设备之一。变频器的主电路一般为交－直－交组成，外部输入的工频电源经过整流电路变为直流电源，再经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电源。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波。

图2所示为宝山罗泾码头变频动力系统电压及电流波形图，电压波峰很平畸变较为严重。图5显示三相电压畸变率均超过７%，大于国标GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》中所规定的5%的要求，严重的电压畸变不但会影响设备的寿命，而且可能会酿成事故。

图2：电压及电流波形 图3：电压电流及功率数据

图4：电流及其相关数据 图5：电压及其相关数据

图2中的电流波形已经基本看不出是正弦波而是较为典型的M波。结合图4中电流谐波含量数据可分别计算出A相、B相、C相电流值为270A、261.6A、283.6A，同时三相电流的谐波畸变率均超过50%，查阅国标GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》，本系统的谐波电流均已超过基准短路容量所允许的谐波电流限制。综合电压及电流数据，本系统的电能质量很差。

4.2 治理措施及效果

针对码头的具体情况，以治理谐波污染为目的。通过有针对性的谐波污染治理，减少甚至消除其对配电系统的不良影响，保证电动机、变压器、电缆、其他设备的正常运行，提高功率因数，减少无功损耗，延长设备使用寿命，保障可靠供电。

根据宝山罗泾码头变频动力系统负载分配情况，采用集中补偿方式进行谐波治理，即分别在两台变压器二次侧，也就是在A段和B段母线处安装1台100A ANAPF有源滤波器。

治理后谐波情况明显改善，电压谐波畸变率由7%下降到2%，电压波形如图6所示，波形几乎是完美的正弦波。治理后电流波形如图7所示，电流谐波畸变率从50%降低到5%左右，谐波畸变率大大降低。电压电流谐波质量均已符合GB T14549-1993《电能质量　公用电网谐波》规定标准。治理后减少了对皮带秤中计量和传感器等敏感器件的扰动，有效解决了皮带秤的抖动和计量不准问题。

图6：治理后电压波形 图7：治理后电流波形

据反馈，自有源滤波器投运至今，装车吊机运行故障率明显降低，变频器故障发生率由平均每月3-4次降到了每半年1次；皮带秤故障由每月1次到不再出现故障。大大提高了装车吊机运行的稳定性和工作效率。

4.3 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单

5 结语

综上所述，随着时代的变化，新事物、新产品不断推陈出新，加之高新技术的不断应用，随之而来的是用电环境越来越复杂。本文仅是在谐波污染方面进行了一些浅述，由此可以看出，谐波的治理虽然需要一定的资金投入，但从长期来看，对设备的保护所带来的经济效益是十分明显的，在用电安全方面的改善所带来的社会效益也是十分显著的。

【参考文献】

［1］ 上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

［2］ 查慧勤 《谐波治理的必要性及案例分析》