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谐波对电力系统的危害及预防措施什么是二次谐波三次谐波高次谐波 一、供电系统中的谐波 在供电系统中谐波电流的出现已经有许多年了。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。 1 谐波的产生 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。 在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波可能直到第三十次谐波组成。 2 产生谐波的设备类型 所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。 (1)开关模式电源(SMPS)： 大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不同，它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅度地降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。 (2)电子荧光灯镇流器： 电子荧光灯镇流器近年被大量采用。它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而其缺点是其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本昂贵。 (3)直流调速传动装置： 直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，它也称作六脉冲桥式整流电路，因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直流电动机的电感是有限的，故在直流电流中有300Hz的脉动波(即为供电频率的6倍)，这就改变了供电电流的波形。 (4)不间断电源(UPS)： 根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所用转换方式的不同，UPS有许多不同的类型。主要的类型有：在线的UPS、离线的UPS和线路交互作用的UPS。由UPS供电的负荷总是电子信息设备，它们是非线性的并且含有大量的低次谐波。 (5)磁芯器件： 在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。如果电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大)那么磁场中会有高次谐波，这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很小)则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则含有高次谐波，这被认为是自由磁化过程。 3 谐波引发的问题及解决措施 谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理；适用于消除谐波在装置内不良影响的办法并不能减少谐波在电源系统内造成的畸变，反之亦然。 (1)装置内的谐波问题及解决措施： 有几个常见多发的问题是由谐波引起的：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的误动作等。 电压畸变：因为电源系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸变(这是产生平顶波的根源)。此阻抗有两个组成部分：电源接口(PCC)以后的电气装置内部电缆线路的阻抗和PCC以前电源系统内的阻抗，用户处的供电变压器即是PCC的一例。 由非线性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷是线性的负荷也是如此。 解决的办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。 过零噪声：许多电子控制器要检测电压的过零点，以确定负荷的接通时刻。这样做是为了在电压过零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰(EMI)和半导体开关器件上的电压冲击。当在电源上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率就很高且难于判定从而导致误动作。实际上在每个半波里可有多个过零点。 中性线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。最近研究实验发现中性线电流会可能大于任何一相的相电流。造成中性线导线发热过高，增加了线路损耗，甚至会烧断导线。 现行的解决措施是增大三相四线式供电系统中中性线的导线截面积，最低要求要使用与相线等截面的导线。国际电工委员会(IEC)曾提议中性线导线的截面应为相线导线截面的200%。 变压器温升过高：接线为Yyn的变压器，其二次侧负荷产生3N次谐波电流时，其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外，还将流过3N次谐波电流的代数和，并将谐波电流通过变压器一次侧流入电网。解决上述问题最简单的办法是采用Dyn接线的变压器，使负荷产生的谐波电流在变压器形绕组中循环，而不致流入电网。 无论谐波电流流入电网与否，所有的谐波电流都会增加变压器的电能损耗，并增加了变压器的温升。 引起剩余电流断路器的误动作：剩余电流断路器(RCCB)是根据通过零序互感器的电流之和来动作的，如果电流之和大于额定的限值它就将脱扣切断电源。出现谐波时RCCB误动作有两个原因：第一，因为RCCB是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要大。大多数的便携式测量仪表并不能测出真实的电流均方根值而只是平均值，然后假设波形是纯正弦的，再乘一个校正系数而得出读数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值要低得多，而这就意味着脱扣器是被整定在一个十分低的数值上。 现在可以买到能检测电流均方根值的断路器，再加上真实的均方根值测量技术，校正脱扣器的整定值，便可保证供电的可靠性。 (2)影响供电电源的谐波问题及解决措施： 中华人民共和国电力法指出：用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序，供电营业规则中规定：用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。 由畸变电流造成的电压畸变取决于电源阻抗。阻抗愈大则由同一电流畸变所造成的电压畸变就愈大。对于10次以下的谐波而言，供电网络通常是感性的，所以电源阻抗就和频率成正比，谐波次数越高，所造成的畸变就越大。通常不可能减小供电系统的阻抗，所以需要采用别的步骤来保证电压畸变不超过限度。可能的解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。 装用谐波滤波器：对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器，滤波器可去掉20%的五次谐波以及全部的高次谐波，对基波影响甚微。为了避免增益顶峰靠近谐波，必须用解谐的滤波器，而且可能需装多个滤波器。在12脉冲桥路中最低次的谐波是11次的，此时情况比较简单。 装用隔离变压器：均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台Dyn接法的隔离变压器来削弱。使用这种变压器时，通常装设一个旁路的电路以避免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停止供电。在这种情况下，应采用中性线有足够大的通用四芯馈线。在重要的配电系统中，有时把隔离变压器就地装在每一配电盘上，使3N次谐波电流与配电系统相隔离。隔离变压器要适当提高额定值，否则也会产生电压畸变和过热。 装用有源的谐波调节器：由变流器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。目前有源滤波器日益推广应用，它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一个纯粹的正弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP)技术来控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为设备是与供电系统并联工作的，它只控制谐波电流，基波电流并不流过该滤波器。如果所需过滤的谐波电流比滤波器的容量大的话，它只是简单地起限制作用而使波形得到部分的纠正。 谐波对电力系统的危害及预防措施2010-02-06 14:27:27|分类： 电气知识 |标签： |字号大中小订阅 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513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。低压配电网电力谐波的危害及对电气测量仪表的影响 【摘要】概述电力谐波对供用电设备的危害，电容器对电力谐波电流的放大机理，分析谐波对电气测量产生的影响，为对象选择适合的谐波测量分析仪提供参考。关键词：低压配电网;谐波;检测1谐波的主要危害随着低压电网中谐波污染的日益严重，常常造成一些设备无法正常工作，甚至出现严重的事故。为此，许多国际组织包括国际电工委员会(IEC)及电气和电子工程师协会(IEEE)专门组织了调查组，就“谐波对设备的影响”进行了广泛的调查，调查发现，危害主要集中在两方面:使设备损耗加大、温升升高、寿命减小。使设备受到干扰，产生误操作。对各类设备，其危害具体表现如下:（1）容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生串/并联谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至烧坏。据统计，由于谐波问题引起的电容器故障占电容器总故障率的71-83%。（2）使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，如果与机械设备的共振点相近则会产生机械共振、损坏设备。（3）谐波电流使输电电缆损耗加大，输电能力降低。对容性电缆线路，谐波使绝缘加速老化、泄漏电流增大，严重的甚至放电击穿损坏。对三相四线制的供电线路，谐波特别使3次谐波，使中线电流过大损坏。（4）测量设备如电压表、电流表、电度表等受谐波的影响造成测量误差，严重时可达到20%。（5）使一些保护设备误动作，如继电保护、保险丝等。（6）对电子设备的影响：很多过零检测以基波频率为准的设备，因谐波的影响造成过零误动作。半导体器件常常在电压的过零点动作，以减少电磁干扰和闪变电流，谐波影响了正确的开关动作。电压的突变造成很大的dv/dt，也影响了一些电子设备，造成设备的损坏或误动作，如很高的dv/dt会使晶闸管导通。非整数和超低频谐波使一些视听设备受到影响。电压峰值点的变化影响了电视及计算机画面的大小和明暗变化。使计算机自动控制设备受到干扰而造成程序运行部正常。（7）谐波造成照明设备寿命缩短，如果由于谐波的影响而电压升高5%,则照明设备的寿命缩短47%。（8）对通讯电路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，由于人对1kHz声音最敏感，因此1kHz左右的高次谐波对电话通讯设备的影响比基波大得多（9）谐波电流流过变压器线圈，增大附加损耗，时线圈发热、绝缘老化加速、寿命缩短，并发出噪音（10）使大功率电机和发电机的励磁系统受到干扰而影响基正常工作。2电容器对电网谐波电流的放大2.1电容器对谐波电流的放大作用在低压配电网系统中，由于负载补偿的需要，广泛安装使用无功补偿装置，多数采用并联电容器的方式。这样同时带来了一个附加的问题:由于电容器对电网的投入，使得电网的谐波电流放大。在电容器的运行方面，谐波电流的存在会使电容器运行电流有效值加大，温升增高，甚至因过热而使电容器缩短寿命或损坏;另外谐波电压叠中于基波电压之上作用于电容器，可能使其在运行中产生的局部放电涌熄灭，进而使电容器损坏。对于电网来说，电容器对电网谐波电流的放大是一个不容忽视的问题。电容器对谐波电流一般放大25倍，谐振时可达30倍以上。因此，必须认识电容器对谐波电流的放大作用，合理配置电容器和电抗器，避免电气参数匹配发生谐振，控制其谐波电流放大，才能保证电容器、电抗器和整个电网以及在电网中运行的用电设备的安全。2.2电容对谐波电流放大的机理在电力系统某一有谐波电流注入的母线上接入并联电力电容器时，其电力系统的简化图如1所示，图2为其电流分布示意图。图中设谐波源的h次谐波电流为Ih，进入电力系统的谐波电流为Ish，进入电容器的谐波电流为Ich，Xc为电容器的基波电抗器的基波电抗。电力系统基波的等值阻抗为Zs=Rs+jXs，h次谐波阻抗为Zsh=Rsn+jXsb。进入电力系统和进入电容器的谐波电流的的分配将因谐波次数的不同而不同，可能出现IshIh，也可能出现IchIh时，称为系统谐波电流放大，或称为谐波电流放大;当IchIh时，称为电容器谐波电流放大;当IshIh和IchIh同时发生的时候，称为谐波电流严重放大。电路图.jpg图1电网简化电路图图2电网等值电路图3谐波功率和谐波对常规电气测量仪表的影响谐波功率基本上完全属于功率损耗，而不提供任何有益的功效，相反地却要缩短设备寿命。从电力的使用价值来看，基本上只是基波电压、电流和功率能产生用户所需有用功效的，谐波不但无用，还要降低各类电力设备的基波电压、电流和功率的允许极限值。3.1谐波对其常规电气测量仪表的影响当按照传统观念来观察谐波对电气测量仪表的影响时，完全是从主观上给仪表下的定义出发。例如给交流电仪表功能下的定义是:反映被测量的综合有效值，对电压和电流指的是方均根值(ms);对功率则指的是电压和电流瞬时值之积(代数值)在一个基波周期内的平均值。这等价于频域中仪表指示的是：（式1） （式2）（式3） 这样就认为不受谐波影响的仪表应该具有的理想频率特性是谐波量对仪表转动部分产生的转矩与等量的基波量产生的转矩相等。同时也就认为，仪表的频率特性愈差(一般认为，相等谐波量的频率愈高，对仪表产生的转矩便愈小)，谐波对它引起的误差也愈大。但对仪表的上述要求与用户对仪表的实际要求并不相同(电工理论实验的测试可能是例外)。从电气量的效益出发，为了观察电动机是否具有足够的转矩和出力，电力系统是否具有足够的稳定性和电容器是否能提供必需的无功功率，只要求仪表指示出基波电压和基波电流即可，所以，在波形畸变的条件下，频率特性愈好的仪表，其指示值愈不准确。另一方面，从谐波对设备工况的制约作用来看，还要求仪表指示出峰值电压、峰值电流、各次谐波的畸变率或综合的畸变率。对于功率计量来说，从动能经济、有功和无功电力平衡以及发送电设备的稳定功率极限等出发，都只要求指示基波功率。但为了研究谐波线损和潮流，则还要求另外指示谐波功率。从电力工作者的测量目的来看，在很多情况下只要求仪表反映基波量，而在测