电网谐波综合治理的研究_.doc

哈尔滨工业大学远程教育本科毕业设计（论文）摘 要随着我国经济的发展和科技的进步，电力电子装置的广泛应用已经取代电力变压器成为配电网中污染最严重、数量最大的谐波源。这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。论文首先对谐波产生的主要原因进行了逐项分析，然后就电力电网中谐波的危害表现做了具体描述，最后对谐波的防治和综合治理提出了一些观点和设想，并以江苏索普集团醋酸厂的谐波治理为研究对象，重点放在以变频器为代表的非线性负荷如何有效抗干扰和抑制谐波的产生上，还对高次谐波治理的主要方法从原理到实际应用进行了分析比较。通过实验分析表明，电网谐波的综合治理对提高电能质量，补偿无功提高功率因素，降低设备故障起到积极作用，节电率达10%30%，谐波滤除率为70%80%，同时避免因谐波造成的交流电波形畸变而造成电网计量具不准而被当地供电部门罚款，经济和社会环保效益明显。关键词 谐波源；非线性负载；谐波电流；电能质量；综合治理AbstractAlong with the progress of the development and science and technology of our country economy, electric power electronics equip of extensively applied have already replaced electric power transformer to become go together with in the charged barbed wire net pollute most seriously, amount the biggest harmonics source. These electric power electronics equip all for the variable structure not line electric power to carry, work in not line the appearance be efficiently making use of electric power of also in the meantime toward the charged barbed wire net infuse into line electric current in great quantities and not, brought the electric power quality of public charged barbed wire net concealed suffer from.Thesis first to harmonics creation of the main reason carried on pursue item analysis, then the harmonic bane performance did a concrete description on the electric power charged barbed wire net, finally to harmonic prevention and cure with comprehensive managed to put forward some standpoints and conceive, and with the harmonics of Suo Pu group acetic acid factory in Jiangsu manage for research object, the point put at with change Pin machine for representative of not the line carry how valid anti- interference with repress a harmonic creation up, also to higherharmonic manage of the main method is from the principle arrive physically applied carried on analysis compare.Pass experiment analytical enunciation, the charged barbed wire net is harmonic comprehensive manage to compensate to raise a power factor without the achievement towards raising electric power quality, , lower equipments breakdown since the positive effect, the stanza electricity rate reaches to 10% 30%, the harmonics filter in addition to the rate is for 70% 80% and avoid in the meantime because harmonics the exchanges electric wave form mutation for result in but result in the charged barbed wire net calculate to prohibit but is fine money by the local power supply section, economic and social environmental protection performance obvious.Key words Harmonics source；Non the line loads；Harmonics electric current ；Electric power quality；Comprehensive manage目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.1.1 谐波产生的原因21.1.2 谐波治理的意义31.2 谐波治理的措施51.2.1 从产生的根源治理51.2.2 在电网中增加谐波治理装置51.3 论文的主要内容6第2章 电力电网谐波产生来源分析72.1 发电源质量不高产生谐波72.2 输配电系统产生谐波72.3 非线性用电设备产生的谐波82.3.1 整流装置82.3.2 变频装置92.3.3 电弧炉132.3.4 电压互感器132.3.5 气体放电类电光源132.3.6 一些电器设备 132.3.7 其它一些非线性负载132.4 本章小结13第3章 电力系统中谐波的危害的一般表现 14 3.1 对供配电系统的危害143.1.1 影响线路的稳定运行143.1.2 影响电网的质量143.2 对电力设备的危害143.2.1 对电力电容器的危害143.2.2 对电力变压器的危害153.2.3 对电力电缆的危害153.2.4 对用电设备的危害153.2.5 对弱电系统设备的干扰163.2.6 影响电力测量的准确性163.2.7 谐波对人体的影响163.3本章小结16第4章 电力电网谐波的综合治理 184.1 从政策上进行电网谐波治理工作184.2 电力管理部门准确有效的监管184.3 从技术措施上来抑制谐波的产生194.3.1 设计时给予较大贮备量194.3.2 采用不同相线供电194.3.3 电源相互隔离减少干扰194.3.4 变压器涌流抑止204.3.5 抑制单相电容器组开断瞬态过电压204.3.6 抑制电压互感器铁磁谐振204.3.7 加大电缆截面积204.3.8 变频器抗干扰和抑制谐波的产生204.3.9 抑制电弧炉运行干扰244.3.10 选择合理平衡的三相电压 244.3.11 大容量电容器组的谐波抑制 254.3.12 换流装置的消谐 254.3.13 高次谐波的抑制 254.4本章小结29结论30致谢31参考文献3232 哈尔滨工业大学远程教育本科毕业设计（论文）第1章 绪论 随着社会的发展和科技的进步尤其是电力电子装置的广泛应用，一方面电网中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求也越来越高，因此对电网的谐波污染进行综合治理，已成为摆在电力工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。1.1 课题背景及其意义理想的电力系统是以单一而固定的频率，规定的固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能的。但在公用电网中包含有大量的非线性负载和阻感负载，电网中的谐波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响。电力系统谐波已成为影响电能质量的公害。在国际电工标准（IEC555-2）与国际大电网会议（CIGRE）的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准519-1981中定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”1。在20世纪20年代和30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。50年代和60年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究，对换流器谐波问题的研究有大量文章发表。但这些问题在当时还未对电力系统产生严重危害，因此没有引起电力和供电部门的重视。近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备中的广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性负载并向电网注入谐波，使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路的有害影响已经十分严重。70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。我国对谐波问题的研究起步较晚。1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，电力系统高次谐波、电力网中的谐波这些著作都对人们认识和研究谐波做出了很大的贡献。1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源电力滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。我国对谐波问题的研究在90年代有了长足的发展，而且与国外研究水平的差距正在不断减小。江苏索普集团醋酸厂是一家生产自动化程度很高的大型化工企业。为满足工艺生产装置的需要，公司使用了大量的不间断电源设备、变频逆变器、气体放电类电光源、个人计算机以及电力系统中存在大量的非性线元件及负载如：电容性负载、感性负载、电压互感器、硅整流设备等非线性负载。这些非线性负载工作时会产生大量频率为工频基数倍高次谐波，并将这些高次谐波注入电网。高次谐波与电网系统中基波共存，会引起电网系统中电压与电流的波形发生畸变，高次谐波的畸变次数和振动幅值的大小，直接决定了电网供电电能的质量，并严重危及对用电设备的安全运行。提高企业供电电网电能质量，保证企业用电设备安全稳定运行，是我们电气工作者的责任和义务，为此我主要分析、讨论一下高次谐波的产生来源、危害及预防措施。有关谐波的几个定义:1.谐波：在电力电网中，存在的大量非线性负载,造成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，这部分电量称为谐波。2. 谐波次数：谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。3. 高次谐波 （higherharmonic）：谐波频率为基波频率的整数倍时，称为高次谐波；其频率为基波频率的非整数倍时，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。1.1.1 谐波产生的原因电网中引起谐波的主要因素有各种电力电子装置（含家用电器、计算机等的电源部分）、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等。近三四十年来电力电子装置的广泛应用使得电力电子装置已经取代电力变压器成为配电网中污染最严重、数量最大的谐波源。这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患，主要表现为多相环流装置，如冶金和化工企业中的电解装置（非相控或可控型整流桥）、直流电弧炉电源（可控整流桥）、中频和高频感应电炉的电源、电动机调压和调频驱动的电源即节电器以及各种UPS设备（整流桥和逆变器的复合，可控）。另外如电视机、电池充电器等低压小容量家用电器装置也会产生谐波，由于其数量众多，它们给供电系统注入的谐波分量不容忽视。上述各种谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。如大量应用的直流侧为阻感负载的整流电路，其谐波电流是由直流电流和半导体器件切换方式决定的，几乎和交流电压无关。但是，直流侧为电容滤波的二极管整流电路就不能看成谐波电流源。因其直流侧电压近似为恒值，直流电压通过二极管切换加到交流侧，因此应看成谐波电压源。在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器中，都广泛采用这种电容整流二极管滤波电路，而谐波电压源和谐波电流源的分析方法和治理方法有很大的不同，需加以注意。1.1.谐波治理的意义发达国家的经验和预测表明，随着现代工业技术的发展，非线性用电设备的种类、数量和用电量将会迅猛增加。随着我国改革开放和经济建设的发展，在我国现代工业中，非线性电力负荷也在不断地增加，致使谐波含量急剧上升和供电电压波形产生严重的畸变，若不进行及时有效的控制，将影响到电力网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产，拖慢了国民经济建设的步伐。如广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1998年7月，因5次谐波超标，导致豹南山110KV变电站停电16小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害，其危害主要表现在以下几个方面：（1）使电力电容器产生谐振，造成电容器的故障与损坏。在工频频率下，电网中的电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，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。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，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。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3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绕组电流超过额定值。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，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，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、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000HZ 时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1kHz ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，受谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。2综上所述，电网谐波是继电网电压波动、电网频率变动之后的电网第三大公害，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。可见，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.2 谐波治理的措施目前，谐波治理主要从两个方面来达到治理谐波的目的：1.2.1 从产生的根源治理在设计时使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波，减小谐波的注入。具体方法有：增加谐波源整流装置的脉动相数、采用脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）技术及多重化技术、软开关技术等来降低整流装置产生的谐波成分3。对谐波源本身进行改造是一种积极有效的谐波消除方法。1.2.2 在电网中增加谐波治理装置如无源滤波器PF（Passive Filter）或有源电力滤波器APF（Active Power Filter）阻碍谐波源产生的谐波注入电网。当前广泛应用的措施是采用无源滤波器，利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，吸收谐波电流，减小流向电网的谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿。该方法成本低、技术成熟，但存在以下主要的不足：（1）只能对特定次谐波进行滤波，谐振频率依赖于元件参数；（2）滤波性能受系统参数的影响较大。系统的结构、工作状态、电网的阻抗和谐波频率的变化都会使其难以获得预期的滤波效果；（3）可能与系统阻抗发生串并联谐振，使电网供电质量下降；（4）随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在无源网络中产生很大的谐波电流；（5）消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。4无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。为弥补无源滤波器的不足，有源电力滤波器应运而生。有源电力滤波器是在时域中对非正弦周期电流进行分解后再进行电流补偿，从而改善系统的电流波形。在理论上APF可以拥有无穷多个谐振频率，给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无究大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络。与PF相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体优点如下：（1）滤波性能不受系统阻抗的影响，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果；（2）原理上比PF更为优越，不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,具有一机多能的特点；（3）实现了动态治理，具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波，响应谐波的频率和大小发生的变化；（4）具备多种补偿功能；（5）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；（6）可以对多个谐波源进行集中治理。51.3 本文的主要研究内容课题研究的目的是针对江苏索普集团醋酸厂的谐波特点进行谐波综合治理。文中着重分析了的谐波产生原因，对电气系统和设备的危害，及治理措施，该系统的滤波原理、补偿特性以及工程应用技术比较，最后还对本论文的研究工作成果进行总结。第2章 电力电网谐波产生来源分析2.1 发电电源产生的谐波对目前三相交流发电机组发出的电压而言，认为基波为正弦波，即波形中基本无直流量和高次谐波分量。但发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，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会产生一些谐波，但相对于非线性负载来说一般很少。这种谐波只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源。2.2 输配电系统产生的谐波输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性, 加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大。其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。 谐波电流流经系统中包括发电机、输电线、变压器等各种阻抗元件时，必然产生非正弦的电压降，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。电压畸变的程度取决于非线性负荷容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗，畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响。谐波电流和谐波电压相伴而生、相互影响。高次谐波引起电压、电流波形发生畸变示意图，如图2-1所示图2-1非线性负载的电压电流波形示意图2.3.1 整流装置晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，6这是最大的谐波源。 2.3.2 变频装置变频装置常用于风机、水泵、等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。2.3.2.1变频器所产生的干扰分析（1）变频器电流波形：变频器的输入电流和输出电流中，都具有较强的高次谐波成分，它们将对其它控制设备形成干扰，影响其它设备的正常工作。输入电流的波形：如“交-直-交”电压型变频器的输入侧是整流和滤波电路（如图2-2所示），只有电源的线电压U2大于电容两端的电压Ud时，整流桥中有充电电流。充电电流总是出现在电源电压的振幅值附近，呈不连续的冲击波形式（如图2-3所示）。它具有很高的奇次谐波成份，特别是5次和7次谐波，如表2-1（以醋酸厂西门子MM3变频器为例）。图2-2变频器噪声电流流向图2-3输入电流波形表2-1变频器奇次谐波成份变频器进线电压谐波 （1=基波）基于基波的谐波电流百分比 1%进线电压基于基波的谐波电流百分比 2%进线电压基于基波的谐波电流百分比 4%进线电压3-ph400/500VAC (变频器37KW）1100100100572.562.041.0752.636.716.51117.07.47.53-ph400/500VAC (变频器37KW）1100100100542.737.832.6717.713.29.2116.77.16.9输出电压与电流的波形: 绝大多数变频器的逆变桥都采用PWM调制方式(如图22)，其输出电压为占空比按正弦规律分布的系列矩形波（如图2-4所示）。2-4输出电压波形寄生电容Cp存在于电机电缆和电机内部，因此变频器的PWM输出电压波形的开关翼部通过寄生电容产生一个高频脉冲电流Is，使变频器成为一个谐波干扰源。由于谐波电流Is的产生源是变频器,因此它一定要流回变频器。图中Ze为 大地阻抗,Zn为动力电缆与地之间的阻抗。谐波电流流过此二阻抗所造成的电压降,将影响到同一电网上的其它设备造成干扰。2.3.2.2 变频器干扰信号的传播方式 变频器的输入和输出电流中，都含有很多高次谐波成份，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其它设备的干扰信号。大体上说，干扰信号的传播方式有以下几种 （1）电路耦合方式：即通过电源网络传播。 由于输入电流为非正弦波，当变频器的容量较大时，将使网络电压产生畸变，影响其它设备工作。这是变频器输入电流干扰信号的主要传播方式。 (2）感应耦合方式：当变频器输入电路或输出电路与其它设备的电路靠得很近时，变频器的高次谐波信号将通过感应的方式耦合到其它设备中去。感应的方式有两种电磁感应方式：即通过电感而感应。这是电流干扰信号的主要传播方式。静电感应方式：即通过线间电容而感应。这是电压干扰信号的主要传播方式。 (3）空中幅射方式：即以电磁波的方式向空中幅射，这是频率较高的谐波含量的主要传播方式。2.3.2.3 变频器所受的外部干扰 (1）晶体管换流设备对变频器的干扰： 当供电网络内有容量较大的晶闸管换流设备时，由于晶闸管总是在每相半周期内的部分时间导通，容易使网络电压出现凹凸（如图2-5所示）。它使变频器输入侧的整流电路有可能因此出现较大的反向回复电压而受到损害。图2-5晶闸管换向引起的畸变 (2）补偿电容器的投入和切出对变频器的干扰： 当在供电线路的变电所内采用集中电容补偿的方法来提高功率因数时，在补偿电容投入和切出的暂态过程中，网络电压有可能出现很高的峰值（如图2-6所示）。其结果是可能使变频器的整流二极管内承受过高的反向电压而击穿。7图2-6补偿电容投入时电压的畸变2.3.3 电弧炉由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。电弧炉运行时，电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，频繁的短路开路短路的过程，会产生以3次为主的谐波。2.3.4 电压互感器在醋酸厂10KV、35KV等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，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，发生单相接地故障时，会破坏三相对地电压平衡， 通过电压互感器线圈电感和系统对地电容产生铁磁谐振过电压。2.3.5 气体放电类电光源荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 2.3.6 一些电器设备如电视机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形发生改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。2.3.7 其它一些非线性负载：如开关电源的高次谐波、变压器空载合闸涌流产生谐波、单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰等等。24 本章小结总体来说，电网谐波主要来自于以下3个方面:一.发电源质量不高产生谐波；二.输配电系统产生谐波；三.非线性用电设备产生的谐波。其中非线性用电设备产生的谐波最多，本章着重对变频器内部产生和外部所受的干扰以及干扰信号传播方式进行了分析。第3章 电力系统中谐波危害的一般表现3.1 对供配电系统的危害 3.1.1 影响线路的稳定运行供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器等予以检测保护，谐波会引起继电保护装置在正常情况下误动作，在故障情况下不能全面有效地保证线路与设备的安全。晶体管继电器由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。严重影响到供配电系统的安全与稳定运行。3.1.2 影响电网的质量谐波能使电力系统中电压与电流波形发生畸变。如配电系统中的中性线，由于使用大量的整流装置与变频装置，产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多。三相配电线路中，相线上3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流产生的同次谐波的有功功率与无功功率会降低电网电压，损耗一部分电网的容量。3.2 对电力设备的危害 3.2.1 对电力电容器的危害（1）电容器是频率的敏感元件。容易与电力系统中的感性元件形成谐振回路，若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。含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。（公式3-1） ZC=1/(2fC ) （3-1）ZC 电容阻抗fC 电容谐振频率由（3-1）可知，当f=n50（n=2、3）中n很大时，由上式可见ZC很小。 （2）当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压会增大，谐波电压加速电容器介质老化，介质损失系数tg增大，通过电容器的电流增加得会更大，导致电容器功率损耗增加、电容器异常发热、在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经发生畸变的电网中时，会使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。（3）谐波的存在还容易产生尖顶波形电压，它在介质中容易诱发局部放电，由于尖顶波形电压变化率大，局部放电强度大，造成绝缘介质加速老化，大大缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。7在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿，甚至发生爆炸事故。3.2.2 对电力变压器的危害谐波使得变压器的铜耗增大，包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变差，变压器激磁电流增大，磁滞损耗变大。同时由于以上两方面的损耗增加，变压器的效率变低，实际可利用的容量减少，并恶化其功率因数。另外，谐波还会导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁滞伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1kHz左右的成分使得混杂噪声增加，甚至发出金属声。 3.2.3 对电力电缆的危害由于谐波次数，高频率上升，加之电缆导体截面积越大趋肤效应大约在300Hz以上(亦即七次谐波及其以上时)，集肤效应将变得显著导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小，附加损耗也随之增大，引起电缆发热，加速电缆绝缘老化速度，当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。 3.2.4 对用电设备的危害 （1）对电动机的危害电力系统中的同步发电机，特别是以非线性负荷为主或以发电电压直接供给非线性负荷的同步发电机，高次谐波对其有较大不良影响。谐波电流引起定子特别是转子部分的附加损耗和附加温升，降低了发电机的额定出力。 谐波对异步电动机的影响，主要是会造成电动机的三相电压不平衡、增加电动机的附加损耗、降低效率，严重时使电动机过热，破坏电机线圈绝缘性能。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，降低了电动机的输出转矩。另外谐波电流中的频率接近电动机的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。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%。 （2）对低压开关设备的危害对配电断路器而言，谐波电流会导致断路器因铁耗增大而发热、额定电流降低、脱扣电流降低，从而造成断路器误动作或拒动作。对于热继电器来说，在谐波电流的影响下使额定电流降低，容易使其发生误动作。3.2.5 对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到弱电系统中，产生干扰。其中静电感应的耦合强度与干扰频率成正比；传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。 3.2.6 影响电力测量的准确性目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大，也会引起仪表控制系统误动作。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 3.2.7 谐波对人体有影响从人体生理学来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。3.3 本章小结本章描述了电力系统中谐波危害，归纳而言表现在三方面：一.对供配电系统的危害；二.对电力设备的危害；三对人体的危害。重点对常用电力设备如电容器、电压器、电力电缆、电动机等的影响进行了表述。第4章 电力电网谐波的综合治理电力电网谐波的综合治理具体措施有以下几方面：4.1 从政策上进行电网谐波治理工作明确谐波治理是一项互利互惠、增效节能、保证电网和设备安全稳定运行的一项重要举措。我国于1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998 低压电器及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流小于等于16A)，等于采用IEC6100-3-2：1995（国际电工标准），但在技术内容上与该国际标准完全一致。GB17625.1规定了标准接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输出电流小于等于16A)可能产生的谐波的限值。 该标准对一线四类设备确定谐波电流时发射限值：A类设备：平衡的三项设备以及除B、C和D类设备;B类设备：便携式电动工具;C类设备;包括调光装置的照明设备：D类设备：输入电流具有标准所定义的“特殊波形”且其有功功率不大于600W的设备8。该标准还规定了实验电路和实验电源的要求、对测量设备的要求和实验条件的内容。目前，全国电磁兼容标准委员会正在组织有关专家对GB17625.1进行修订，使该标准更加适应市场的需求和操作更容易、简便。此外，1993年颁发的国家标准GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户诸如电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的工作。认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。4.2 电力主管部门准确有效的监管由专业人士对所测结果进行系统分析，以确定谐波源位置及产生的原因，为谐波治理做好原始资料的充分准备；在谐波源较集中处，设置长期观察点，收集准确的技术数据；电力用户监督供电部门供电质量是否满足规范和标准；供电部门对用户的用电设备产生的谐波污染进行综合评估并协助电力用户进行有效的综合治理。针对谐波产生和传播的特点，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，通过加装滤波设备来减小谐波注入电网。政府行使行政职能，加强管理。谐波的综合治理，需要投入大量的人力、物力、财力，仅依靠供电部门是无法解决的，政府机构要充分调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共治共管之路。4.3 从技术措施上来抑制谐波的产生4.3.1 设计时给予较大贮备量为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给予较大贮备量，一般选取0.51倍余量。4.3.2 采用不同相线供电测量、控制装置的许多干扰是由电网中电源线窜入的，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置。动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。4.3.3 电源相互隔离减少干扰对于开关电源的干扰采用的办法：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。（1）使用无源滤波器：主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统；使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。这样既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。（2）屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。（3）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的较大电势阻止反向电流上升。4.3.4 变压器空载合闸涌流抑止在没有暂态分量时，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。4.3.5 抑制单相电容器组开断瞬态过电压采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。4.3.6 抑制电压互感器铁磁谐振采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。4.3.7 加大电缆截面积由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。4.3.8变频器抗干扰和抑制谐波的产生目前，通用变频器的主电路形式一般由三部分组成:整流部分、逆变部分和滤波部分。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变器部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，一般来说，电气设备必须同时具有对高频和低频干扰的抑制能力。其中高频干扰主要包括静电放电、脉冲干扰和发射性频率的电磁场等；而低频干扰主要指电源电压波动、欠压和频率不稳定等。通常变频器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰（EM1）的工业环境中，9它既是噪声发射源，可能又是噪声接受器。变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波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信号。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，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为23kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频