电网谐波的危害及抑制技术

1、目 录摘要1前言11电网谐波的产生及危害21.1谐波的产生21.2谐波的危害42谐波抑制技术92.1抑制谐波电流92.2受端治理措施102.3主动谐波治理的措施112.4被动治理谐波的措施122.5 其余抑制高次谐波的技术122.6 一种新的谐波抑制方案163电力滤波器介绍183.1无源电力滤波器183.2有源电力滤波器214谐波综合治理的展望26致谢27参考文献28电网谐波的危害及抑制技术学 生：指导老师：三峡电力职业学院摘要：随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成

2、为国内外广泛关注的课题。在电力电网中，存在大量非线性负载,引起电网电流波形不再是正弦波。这一非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量，基波正弦量和一系列频率为基波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。各国对电力电网电压正弦波形畸变的极限值都有明确的规定，要求用户对接入电网的设备产生的谐波应采取一定措施，进行抑制。关键词：电网 谐波危害 非线性负载 抑制技术前言电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件,使电压和电流波形发生畸变产生谐波。谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常,还会引起变电站局部并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏。随着工业、农业和

3、人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（Power Quality）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入

4、公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，20世纪70年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。1966年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部

5、分，结果发现计算机在注入100200V脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。 国际电工委员会（IEC）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“IEEE电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准IEEE1000。在IEEEstd519-1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（THD）应在5%以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于3%。1电网谐波的产生及危害1.1谐波

6、的产生1.1.1谐波的概念国际上通行的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波次数必须为正整数。在某些暂态现象中，电力系统会出现一些非整数次的分数次谐波，如：间谐波、次谐波和分数次谐波等，这些概念与谐波概念完全不同。谐波的产生来自于3个方面：（1）发电源质量不高；（2）输配电系统；（3）用电设备。1.1.2电源本身谐波电源本身谐波即谐波电压源。典型的谐波电压源是发电机。由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将

7、偏离正弦波。1.2.3 非线性负载 谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。对于各种换流设备，电气化铁道，电弧炉及数量很大的电子节能设备、家用电器等典型非线型，即使供给理想的正弦波电压，他们也将产生非正弦波电流。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。但由于电力系统中存在各种非线性元件,使电压和电流波形发生畸变产生谐波。谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常,还会引起变电站局部并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏。随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需

8、要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（Power Quality）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使

9、公用电网的波形畸变，增加谐波成份。电网运行中的主要非线性负载装置有以下几种：（1）开关电源的高次谐波开关电源由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样。这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。（2）变压器空载合闸涌流产生谐波 铁心中磁通变化时，会产生815倍额定电流的涌流，由于线圈电阻的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以3次谐波为主。（3）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感

10、，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生；（4）电压互感器铁磁谐振过电压在我国10kV、35kV等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。在正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感L和系统对地电容C在参数上配合，而产生谐振过电压。（5）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗

11、无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（50Hz基波）外，还叠加了一系列高次波形谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近30%），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。（6）电弧炉运行引起电压波动 随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电

12、极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路开路短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率0.1Hz几十Hz，这种谐波是以3次谐波为主。1.2谐波的危害谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流！谐波电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。谐波研究的意义，在于谐波的危害十分严重，主要表现在以下几个方面：1、影响变压器工作谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对形连接中性线接地系统中，侵

13、入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热，增加变压器损耗。谐波使变压器铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗。同时也使铁耗增加。另外，三的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。2、影响继电保护及自动装置 以电压或电流量的变化而动作的装置，在基波分量未达到整定动作值时，会与较大的谐波分量叠加，其合成的综合值超过整定值时会使装置误动。这些装置中，电磁型或感应型的装置对谐波作用较不敏感（铁芯磁阻的影

14、响），而整流型和晶体管型的装置对谐波的作用非常敏感，即使对短时谐波的作用也很敏感。整流型继电保护装置对谐波电流的敏感性随谐波频率的升高而增加。此时，可以采用在整流回路中装入适当并联电容器滤去谐波，降低谐波的影响。（1）接于差动回路、零序回路或负序回路的继电器或自动装置，对谐波的作用很敏感，因它所接受的动作电流或电压仅为相电流或电压的一个很小的百分数，即整定的动作值都很小，而它的动作电压和动作电流中的谐波含有率却能达到很高值，故降低了装置的灵敏性，同时还存在如下几个问题： a本身即为非线性负荷的变压器所产生的谐波电流构成高压侧和低压侧的差电流。变压器合闸产生的励磁涌流和谐波电流含量能达到很大数值

15、，且在变压器中性点接地时，还会产生很大的零序谐波电流。 b利用负序滤序器装于负序电路中，其元件参数是按照工频量来选择的，对谐波根本无滤序作用。负序滤序器中的电抗互感器型比阻容型对谐波影响更敏感，因为前者输出电压中的谐波含有率大于输入端的谐波分量与基波负序分量的比例，而后者则不然。负序滤序器的输出，一般经整流回路再加到执行元件上，故输出谐波量在正半周有助增作用，在负半周时却减少。如果谐波源是不平衡负荷，例如电气化铁道，它同时产生较大谐波分量和基波负序分量，如利用负序量启动装置所受到的干扰就更强了.c反应“增量”的装置，由于执行元件前接入一个微分电路，它只反应突变量而不反应稳态量，能有效地减小稳态

16、谐波量的影响，但仍会受到暂态和动态谐波（如变压器涌流）的干扰。d整流型方向阻抗继电器的阻抗特性，理想状态下其动作特性曲线是一个圆，但输入电流中谐波含量较大时，其动作曲线将出现凹凸，从而导致动作阻抗值和最大灵敏角发生变化。e晶体管方向阻抗继电器中采用了“绝对值比较式”的方向元件和具有“记忆”初始电压的元件，谐波含量及谐波频率仍能影响其动作特性，谐波频率愈高或谐波含量愈大，特性曲线在X轴方向缩短愈多。f相差高频保护装置中的比相器把线路两侧电流变换成正负各半周的方波，通过收发讯机产生的载波传送而进行比较，来达到判断该线路本身是否故障。但较大谐波电流含量可能使方波变形，从而导致比相判断失误而引起误动。

17、g利用光缆通讯的线路纵差保护装置，由于其比相回路是比较两侧电流通过模数转换后的采样点，并通过相邻的几个点进行计算判断，当电流中谐波电流含量较高时，会引起波形畸变。且由于输电线路本身如同一个隐形电容，故谐波在线路两侧所反应的含量有较大差距，由于其不能真实反应运行状况，比相回路不能正确判断，引起不正确动作。h对于自动准同期装置，若谐波电压含有率大幅度超标，会引起装置的合闸误差角超过允许值，从而引起装置乱发调频脉冲或拒发合闸脉冲。i集成芯片型周波继电器，由于所用元件抗干性差，虽采用电容等元件滤波，但只针对一部分谐波。当谐波含有率较高，且成分较多时，由于波形的畸变，此时影响其采样值，无法进行正常的判断

18、。（2）谐波严重影响继电保护和自动装置的几个方面电网中运行的继电保护及自动装置在不同之处所受的影响是不同的，有以下几个方面影响到装置的正常运行（特别是前2个方面的条件是必须具备的）：a.在电气距离上接近大的谐波源；b.保护装置安装地点具备谐波严重放大或接近于谐波谐振条件。例如安装地点具有并联电容器等；c所接回路的装置，其整定的动作值很小。例如接在差流回路、零序电路或负序电路上的装置；d装置所选取的元件或动作原理对谐波敏感，例如采用弱电继电器、半波比相判断的方式、过零点检测等等；e安装地点的短路容量太小，例如在海上油井平台上，自备机组等；f有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生

19、。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波改变继电器的工作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、频率继电器等均会引起误动、拒动、保护装置失灵或动作不稳定。3、增加电容器的损耗谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起谐波电流放大。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损坏中电容器占有最大比例。谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，最不情况是谐波和基波电压峰值的叠加，峰值电压上升使电容器介质更容易发电。一

20、般来说，电压升高10，电容器寿命缩短12。由于谐波使通过电的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。器温升每上升8，寿命缩短12。由于电容器的容抗与频率成反比，因谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电波形畸变比基波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波所占比例不大，也生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起的谐波电流，导致电容器因过流而损害。4、增加输电线路功耗如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大1020倍，而感抗仅为其1/31/

21、2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。对于架空线路而言，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在，当谐波电压与基波电压峰值重合时，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕，损耗增加。对于电缆输电情况，谐波电压正比于其幅值电压形式增强了介质的电场强度，这会影响电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60。5、增加旋转电机的损耗谐波会在电机的定子绕组、转子回路以及铁芯中产生附加损耗这些附加损耗要比其

22、本身的直流电阻所引起的损耗大电机会产生过热现象，并使电机效率降低。谐波电流还会增加电机的噪声产生脉冲转矩引起谐波振动。国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2%，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。6、影响通讯系统工作谐波通过电容祸合、电磁感应、电气传导对通信系统产生干扰， 如损害通话清晰度、引起危害过电压等。例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生310kHz高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。从国外的电能质量分析比如英国电源质量问题出现的频率统计：方 面谐 波对地泄漏电流电 压 扰动发生频率高中低高中低高中低商 业

23、 的71%20%9%20%31%49%51%27%22%公共事业的60%20%20%31%31%39%31%-20%-6031%9%40%31%29%40%31%29%高：一年造成的停机事故在12次以上；中：一年造成的停机事故在2-12次之间；低：一年造成的停机事故在1次以下；从表中可以看出谐波造成停机事故频率很高，在所有三个方面每年事故的报告在12次以上的均在60%以上，而每年至少1次事故的报告为80%以上。电源质量问题主要原因统计报表：问 题原 因商业的公共事业的工业的谐 波计算机系统感性负载切换开关模式电源综合因素71%5%10%14%78%-17%5%34%22%22%22%7、影响换

24、流装置正常工作当换流装置的容量达到电网短路容量的13、12或以上时，或者虽未达到此值而电网参数易引起较低次谐波次数(第2次至第9次)的谐波谐振时，交流电网电压畸变可能引起常规控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定，对逆变器可能发生连续的换相失败而无法工作。8、引起电力计量误差用户为线性用户时，谐波潮流主要由系统注入线性用户，电能表计量的是该用户吸收的基波电能和部分或全部谐波电能，计量值大于基波电能，线性用户不但要多交电费，还要受到谐波破坏。用户为非线性用户时，用户除了自身消耗部分谐波，还向电网输送谐波，电能表计量电能时基波电能和扣除这部分谐波电能的部分和

25、或全部和，计量值小于基波电能。9、影响其它设备运行谐波还会对以下设备产生影响：使断路器断弧困难，断路器开断能力降低；引起避雷器谐波过电压而损害；延迟或阻碍消弧线圈灭弧作用；电压互感器由于谐振而损害；增大中性线电流；电视机图像变坏、翻滚：收音机引起杂音；微机系统、数据传输系统、自动录波系统出现数据丢失、误动、误显示和波形异常等。2谐波抑制技术2.1抑制谐波电流对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：1、降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省

26、因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：（1）增加整流器的脉动数整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：nkp1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而InI1n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。理论上，脉波越多，对谐波的抑制效果越好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。（2）脉宽调制法脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、

27、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。（3）三相整流变压器采用Y或Y的接线三相整流变压器采用Y或Y的接线形式，这样可以消除3的整数倍次的电力谐波，从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11等次谐波。2、在谐波源处吸收谐波电流这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：（1）无源滤波器无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、R、C元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网

28、。无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 （2）有源滤波器早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗

29、的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。（3）加装静止无功补偿装置快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处，并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。2.2受端治理措施1、改善供电环境，选择合理的供电方式 一般当电网短路容量大于谐波源供电变压器容量20倍时，其产生的高次谐波对系统就不会有危险的影响，产生的谐波电压、谐波电流也在规定值以下I删。高一级电网

30、的短路容量均大于同系统低一级电网的短路容量，因此将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，可以减少谐波对系统或其它设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。保持负荷的三相平衡，能有效减少三次谐波。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，有助于集中抑制和消除谐波。例如，将母线分为三段：把所有大、中型晶闸管整流装置和中频装置集中在一段母线上，其它不产生谐波的负荷和照明由另两段母线供电。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其

31、它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。2、防止并联电容器组对谐波的放大在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。抑制电容器对谐波电流放大方法有： （1）改变电容器的安装位置，安装点与电源间的感抗就不同，所引发谐振的频率也不同。选择合式的安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。 （2）改变与电容器的串联电抗器，也就相当于改变了系统阻抗，可以避免谐波电流放大。 （3）

32、限定电容器组的投入容量，可以有效减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。 （4）将电容器组的某些支路改为滤波器。3、减少发电机谐波电动势畸变率 对于作为电力系统电源的同步发电机，提供符合标准的正弦波形电能质量是对它的基本要求。然而由于气隙磁场实际上不完全按正弦分布，产生的感应电动势中必然存在各次谐波。然而，在发电机制造上，可以采取一系列措施来消除或减少谐波电动势： 星形连接不会出现三次或三的倍数次的各奇次谐波，因此，现代同步电机多采用星形连接。 凸极同步发电机采用适当极靴宽度和不均匀气隙长度，可使气隙磁场波形尽可能接近正弦分布，减少谐波电动势产生。 采用短距绕组，增加每极每相槽数，可减

33、少谐波电动势产生。 水轮发电机等多极电机，转子励磁绕组常采用分数槽绕组，实现了极对与极对之间的分布，减少了磁势中的谐波分量。采取以上措施后，目前发电机的谐波电动势畸变率小于1，一般可以忽略不计。4、变压器采取措施，抑制谐波产生 变压器绕组如有一侧接成三角形，可以有效消除三次及其倍数次谐波，及时停运空载变压器，选用有载调压变压器，可以及时调整变压器母线电压，使变压器不致于过激磁，从而减少谐波产生。5、提高设备抗谐波干扰能力 提高设备抗谐波干扰能力，使其在谐波一定限度环境中能够正常工作，研制新型抗谐波设备。6、改善谐波保护性能 对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备

34、不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。2.3主动谐波治理的措施1、增加整流装置的脉动数。 整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动次数P有关， h=kpl(k=l，2，3.)。当脉动数增加时，整流器产生的谐波次数也增高，而谐波电流近似与谐波次数成反比，因此一系列次数较低，幅值较大的谐波得到消除，谐波源产生的电流将减少。2、改变谐波源的配置或工作方式 具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。3、采用多重化技术。 将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。4、谐波叠加注入。 利

35、用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上，可以用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率损耗常常高达直流功率的10。5、采用PWM技术 采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小。波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。6、设计或采用高功率因数变流器。 比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。2.4被动治理谐波的措施1、采用无源滤波器PPF（Passive Power Filter，

36、PPF）或称为LC滤波器。LC滤波器由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构连接而成的滤波装置。LC滤波器是出现最早，虽然存在一些较难克服的缺点，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法。2、采用有源电力滤波器APF(ActivePowerFilter)。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统谐波抑制方法缺点。随着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上己经进入实用阶段。2.5 其余抑制高次谐波的技术2.5.1 开关

37、电源干扰的抑制技术一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。采用电源滤波器，电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。屏蔽技术可减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生以有效地防止向外辐射干扰。2.5.2 变压器空载合闸涌1、防止和应涌流产生的措施空载合闸前，将合闸变压器中性点不接地。使其合闸时只产生励磁涌流而不产生和应涌流。需要注意的是，如果将合闸变压器中性点不接地，为防止变压器空载合闸时的过电压问题，应在变压器不

38、接地中性点装设间隙保护，如专门保护变压器中性点的无间隙金属氧化物避雷器或采用棒间隙并联避雷器保护，防止冲击过电压损坏变压器铁芯或绝缘。 空载合闸前，将合闸变压器中性点接地，联系调度短时停运运行变压器中性点，可短时停运变压器中性点，但应考虑此种情况下合闸时局部系统可能失去接地中性点引起的过电压而损坏变压器，也应考虑安装间隙保护。2、防止运行中变压器保护误动的措施 充分利用继电保护信息系统软件，模拟计算系统在不同运行方式下其它变压器空载合闸时在变压器中性点可能流过的最大零序电流值，合理的整定变压器零序电流保护的定值，防止零序保护误动。 尽力使设备在正常接线运行方式下运行，减少或避免在特殊运行方式下

39、运行，以防止零序保护定值可能不满足特殊运行方式的要求，而造成零序保护误动作。现有大型变压器多采用比率制动特性原理的差动保护，比率差动保护的最小动作电流一般整定为变压器二次额定电流0.51.0倍，最小制动电流一般整定为变压器二次额定电流1.0倍，定值整定过小，变压器空载合闸时和应涌流有可能超过变压器差动保护动作值，造成差动保护动作，为此在保证差动保护灵敏度的前提下，适当整定变压器差动保护最小动作值，抬高差动保护定值门槛，就有可能避免差动保护误动。2.5.3 抑制电压互感器铁磁涌流抑止方法1、采用励磁特性较好的电压互感器。当今生产的抗谐振新型TV，伏安特性好，启始饱和电压达1.5Ue因而难以形成参

40、数匹配发生谐振，降低了谐振发生的机率，可以说是消谐治本的措施。缺点是一旦发生谐振，将出现更高的过电压和过电流。该方案较适合于新厂站的产品选型，老厂站的技术改造工作量较大，经济性较差，本厂暂且不予考虑。2、 电压互感器中性点经消谐电阻R0接地。Y0接线的PT高压绕组是中性点不接地系统中唯一的入地金属通道，接地故障消失过程中，三相对地电容3C0通过TV三相高压绕组电感L/3放电，极大的直流分量使铁芯深度饱和，电抗减少，激发谐振的同时，大电流往往引起TV过热损坏。接入R0后，对TV高压绕组进行了分压，限制了绕组中的电流，特别是限制了断续弧光接地时的高幅值电流，既改善了TV的伏安特性，有效抑制谐振，又

41、避免了绕组过热损坏。R0的阻值选择以发生单相接地故障时，TV开口绕组电压不低于80V为标准，以保证接地保护动作的灵。国内已有多家公司生产LXQ系列非线性消谐电阻器，低压下呈几百k高电阻，有效抑制谐振起始发展；接地时高压作用下非线性电阻下降，保证接地保护动作的灵敏度，610kV系统可取3050k度。持续长时间的弧光接地短路时，R0热容量难以满足散热要求，可能过热损坏是它的缺点。由于该方案对TV避免大电流损坏的有效性，考虑到本厂35kV系统TV多次在不良天气接地后损坏，拟采用该方案。现不少厂家对阻尼电阻进行了改进，利用晶闸管的可控通断自动调整阻值，制造了微电脑自动消谐装置。消谐装置能在接地故障时断

42、开电阻，不开启消谐回路，谐振时断时续将开口三角绕组短接，使饱和过电压迅速消除，又避免TV过热损坏。然而，由于户外端子箱的高温密闭环境，从用户反馈的情况来看，微电脑消谐装置运行可靠性往往不高。3、TV一次侧中性点经零序电压互感器接地，或经消弧线圈接地TV一次侧中性点经零序电压互感器接地，或经消弧线圈接地，是一个原理上与该方案相似，但无保护灵敏度下降及电阻器过热损坏缺点的更理想方案，但受现场施工安装条件限制，作为该方案的替代比较。4、改进送电倒闸操作方式。对母线合闸充电操作时，事先投入某些线路或变压器等设备，以破坏谐振匹配的条件。或合闸充电前先断开母线TV，相当于断开了谐振电感L，待充电正常后再投

43、入。但前者不符合送电倒闸操作中从电源到负荷逐级合闸的原则规定，后者又会短时间失去母线电压监视和接地告警监视。第三种方式是母线充电后立即投入计划送电的线路或变压器等设备，这是尽快消除操作谐振过电压的直接有效的措施，但此时TV已遭受了谐振过电压和过电流危害。上述操作方式实践证明对消除谐振效果很好，但均存在一定局限性，建议在已出现谐振或无法避免谐振时灵活使用。操作中应事先做好事故预想，如出现谐振过电压现象，如TV及母线回路声音异常、电压表指示不正常升高、接地故障告警等应立即采取相应措施，消除谐振。2.5.4 抑止整流和逆变产生的谐波 1、在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三

44、只680f 250VAC的电容，（分别接在L-N上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的1/10，效果较明显；2、变频器的电源电缆采用屏蔽电缆屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。2.5.5 抑止电弧炉运行时的干扰抑制超高功率电弧率干扰途径来讲有二：一是提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内：二是采用SVC装置，使其多项指标限制在允许范围内。两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累

45、，泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，二增加了对广大用户的影响。因此，使用范围越来越小。途径二是治本的办法，它使电炉对电网和自身影响的各种量值大部分地消除了，故其使用范围越来越大，前途广阔。SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，用于电力、冶金、采矿和电气化铁道等冲击性负荷的补偿上，它可使所需无功功率作随机调整，从而保持电弧炉等冲击性负荷连接点的系统水平的恒定。SVC由可控支路和固定（或可变）电容器支路并联而成，主要有四种型式：(1) 可控硅阀控制空芯电抗器型(称TCR型)它用可控硅阀控制线性电抗器实现快速连续的无功功率调节，它具有反应时间快(520ms)、运行可靠、无级补偿、分相调节、能

46、平衡有功、适用范围广、价格便宜等优点。TCR装置还能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力，因而在电弧炉系统中采用最广泛，但这种装置采用了先进的电子和光导纤维技术，对维护人员要专门培训提高维护水平。(2)可控硅阀控制高阻抗变压器型(TCT型)优点与TCR型差不多，但高阻抗变压器制造复杂，谐波分量也略大一些。由于有油，要求一级放火，只宜布置在一层平面或户外，容量在30Mvar以上时价格较贵，而不能得到广泛采用。(3)可控硅开关控制电容器型(TSC型)分相调节，直接补偿，装置本身不产生谐波，损耗小，但是它是有级调节，综合价格比较高。(4)自饱和电抗器型(SSR型)维护较简单，运行可靠，过载能力

47、强，响应速度快，降低闪变效果好，但其噪声大，原材料消耗大，补偿不对称电炉负荷自身产生较大谐波电流，无平衡有功负荷能力。 国际上用于大型炼钢电弧炉的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。（1）单调谐滤波器。一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主要是27次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少2050，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，

48、2次滤波器选用三阶滤波器为好，其他次选用二阶单调谐滤波器。（2）高通（宽频带）滤波器电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大(系统阻抗一般是感性的)，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降低成本，通常采用高通滤波器滤除谐波，高通滤波器对所有的高次谐波阻抗均较小，可以将某一频率以上的谐波滤除。高通滤波器又称减幅滤波器可分为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器。用于大型电炉的滤波器组合最基本的有两类：一是用35组单调谐滤波器组成，二是由24组单调谐滤波器和一组二阶宽频带滤波器组成。第一类组合对高次谐波滤波效果要差一些，但电能损耗低些；第二类组合对高次

49、数滤波效果好，分工也明确，设计也简单容易些。两者组合各有优缺点，总的发展趋势是在滤波效果好的前提下减少组数，以节省占地和投资，又要尽可能优化组合以节省电能损耗。2.6 一种新的谐波抑制方案 （1）三相整流变压器采用Y或Y，这样联接可以消除3的整数倍的高次谐波，电网中的谐波电流只有5、7、11、13等奇次谐波。（2）增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，奇数低的谐波被消去的也越多。（3）装设分流滤波器，分流滤波器是由R、C、L等元件组成的。串联谐振电路一般采取三相星形联接，它往往接在大型整流设备与电网的联接处，见图2。图2分流滤波器接线图（4）装静止无功补

50、偿装置 上述四种抑制方式尽管对电网的净化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能对谐波全面管理或仅仅局限在很小的范围之内。这些方式都是被动的，不能随谐波变化而变化。 随着科技的发展对谐波的抑制提出了新的设想，它克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段,它采用如图3的拓扑类型。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析、建立频谱图，以此频谱图为依据向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波，从而达到谐波抑制的效果。 图3有源谐波调节器的基本工作原理 据此原理推出了有源谐波调节器（ACTIVE HARMONIC CONDITIONER）它能将225次谐波有效地抑制。可根据电网的情况调整电压与电流波形

51、的相位角，修正电流波形，提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。它的工作原理见图4。图4有源谐波调节器工作原理框图有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。该调节器还具有标准的RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯。 （a）无有源谐波调节器 （b）有有源谐波调节器图5带有非线性负载（计算机等）的输入电流波形 图5为非线性负载经有源谐波调节器调节前(a)与调节后(b)的输入电流波形比较。可以看出，这种有源谐波调节器将大大抑制谐波，提高了功率因数，同时大大地减小损耗，大

52、大地节约了能源，保障了电网线路的安全。利用该谐波调节器可全面解决电网造成的损失。3电力滤波器介绍3.1无源电力滤波器3.1.1无源电力滤波器的介绍无源电力滤波器(Passive Power Filter，PPF，PF)又称为LC滤波器，是由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接而成。以对某次谐波或以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用。由于SVC的调节范围要由感性区扩大到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。无源电力滤波器是目前广泛采用的谐波抑制手段。3.1.2无源电力滤波器原理滤除谐波原

53、理实质是为电路中的谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可以通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。滤波器设置在需要滤除的谐波频率上使感抗和容抗相等而抵消，通常称为调谐。而R为低值电阻，在调谐频率上，滤波器表现出高阻抗特性，这样该频次谐波就可以顺利通过滤波器而返回谐波源。对于非调谐的基波和其它次谐波，滤波器则表现为高祖抗，因而影响很小。3.1.3无源滤波器的分类无源滤波器分为单调谐滤波器、双调谐滤波器及高通滤波器。（1）单调谐滤波器。一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的减少而增加，而电炉正好是低次谐波，主

54、要是27次，因此，基波损耗较大。二阶单调谐滤波器当品质因数在50以下时，基波损耗可减少2050，属节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂些，投资也高些，用于电弧炉系统中，2次滤波器选用三阶滤波器为好，其他次选用二阶单调谐滤波器。注意事项：滤波电抗器和电阻器均接在电容器的低压侧，以便使电容器的外壳承受较小的对地电压。在三相系统中，整个滤波器宜采用星形接线，其主要优点：一是，一相中任何一个电容器故障击穿时，短路电流较小，避免引起相间短路：二是，电抗器不承受短路电流冲击，且需要采用“半绝缘”，因为在系统单相接地时，电抗器对地电压仅为相电压；三是，便于分相调谐。（2）双调

55、谐滤波器。它有两个谐振频率，能同时吸收两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器的阻抗特性可以看作由上段L1、Cl、Rl组成串联阻抗Zl和下段k、R2与C2、R3组成并联阻抗z2，则滤波器阻抗为Z=Z1+z2。采用双调谐滤波器代替两个单调谐滤波器，可以减少基波损耗，降低k上的冲击电压。双调谐滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻抗小得多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电压。由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压直流输电工程得到了应用。目前已有国外公司开发出三调谐滤波器并在高压直流输电工程应用。（3）高通滤波器

56、电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大(系统阻抗一般是感性的)，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降低成本，通常采用高通滤波器滤除谐波，高通滤波器对所有的高次谐波阻抗均较小，可以将某一频率以上的谐波滤除。高通滤波器又称减幅滤波器可分为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器。一阶高通滤波器需要电容较大、基波损耗太大，一般不采用；二阶高通滤波器基波损耗小，滤波性能好，结构简单，因此工程上应用最为广泛三阶高通滤波器基波损耗最小，但特性不如二阶高通滤波器，因此用的也不多；C型高通滤波器性能介于二阶高通滤波器和三阶高通滤波器中间，C2与L调谐在基波频率上，使基波电流不通过电阻R，因此可以大大降低基波损耗，C型高通滤波器也较常用。其缺点是工作时间长后，电容、电感参数变化导致调谐频率偏移，基波损耗将明显增大。一般用于某次及以上次的谐波抑制。当在电弧炉系统中采用时，对5次以上起滤波作用时，通过参数调整，可形成该滤波器回路对5次及以上次谐波形成低阻抗通路。用于大型电炉的滤波器组合最基本的有两类：一是用35组单调谐滤波器组成，二是由24组单调谐滤波器和一组二阶宽频带滤波器组成。第一类组合对高次谐波滤波效果要差一些，但电能损耗低些；第二类组