35kV变电站限制谐波措施培训

35kV变电站限制谐波措施培训CONTENTS目录01谐波的基本认知0235kV变电站谐波来源分析03谐波的危害及影响04谐波测量与分析方法CONTENTS目录0535kV变电站谐波限制措施06工程案例分析07运行维护与管理01谐波的基本认知谐波的定义与特性谐波的基本定义在交流电源系统中，频率为基波频率整数倍的正弦波分量称为谐波。基波频率为50Hz时，2次谐波为100Hz，3次谐波为150Hz，以此类推。谐波的产生本质当正弦电压施加于非线性电路时，电流波形发生畸变，分解后除基波外的各整数倍频率分量即为谐波。非线性负载是谐波产生的主要根源。谐波的频率特性谐波频率=基波频率×整数n（n=2,3,4...），通常关注n≤25的低次谐波。谐波频率越高，幅值越小，危害以低次谐波（2-7次）最为显著。谐波的寄生性特征谐波本身不传递有用功率，属于"电能污染"，会消耗额外电能、干扰设备运行，其危害程度与谐波电流值及电源内阻大小正相关。谐波的产生机理

非线性特性是谐波产生的根本原因当正弦电压施加在非线性电路上时，电流会变成非正弦波。非正弦周期量中，频率为基波整数倍的分量称为谐波。非线性负荷是电力系统谐波的主要来源。

电力系统内部谐波源分类变电站产生谐波的主要来源分为三大类：铁磁饱和型（如变压器、电抗器等铁芯设备）、电子开关型（如交直流换流装置、变频设备等电力电子设备）、电弧型设备（如电弧炉等）。

典型非线性负荷的谐波贡献晶闸管整流设备、变频装置等电力电子设备是主要谐波源，如三相全控桥6脉整流器会产生5次及以上奇次谐波电流；电弧炉、电石炉运行时三相负荷不平衡，主要产生2～7次谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。

输配电设备的谐波产生输配电系统中，电力变压器因铁芯饱和及磁化曲线非线性，磁化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波，3次谐波电流可达额定电流的0.5%。系统中投切电容器时也可能发生谐振。谐波的频率特性谐波频率的整数倍特征谐波频率为基波频率的整数倍，即谐波频率=基波频率×整数n（n=2,3,4...），我国电网基波频率为50Hz，故常见谐波频率有100Hz（2次）、150Hz（3次）、250Hz（5次）等。谐波幅值与频率的关系谐波具有“频率越高、幅值越小”的特性，通常工程中重点关注n≤25的低次谐波，如2-7次谐波在工业场合中含量较高，天业化工厂电石炉产生的2-7次谐波可达基波的8%-20%，最大达45%。典型谐波的频率分布不同非线性设备产生的谐波频率不同：三相全控桥6脉整流器主要产生5次及以上奇次谐波，12脉整流器产生11次及以上奇次谐波；电弧炉、电石炉主要产生2-7次谐波；开关电源则会引入40kHz左右的高频谐波。0235kV变电站谐波来源分析电源质量引发的谐波

发电机结构不对称导致的谐波发电机三相绕组制作难以绝对对称，铁芯均匀性存在差异，导致电源产生少量谐波，但通常影响较小，其谐波分量远低于国家考核标准。

发电机端电压超标加剧谐波当发电机端电压高于额定电压10%以上时，由于电机磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加，对电源质量造成不利影响。

变压器磁饱和产生的谐波变压器因铁芯饱和及磁化曲线非线性，且工作磁密选在近饱和段，导致磁化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波，3次谐波电流可达额定电流的0.5%。

变压器电源侧电压影响变压器电源侧电压超过额定电压10%以上时，二次侧电压的三次谐波会明显增加，进一步影响电源质量，需控制电压在允许范围内。输配电系统产生的谐波电力变压器的非线性特性

输配电系统中主要谐波源为电力变压器，因其铁芯饱和及磁化曲线非线性，工作磁密常选在近饱和段，导致磁化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波。谐波大小的影响因素

谐波大小与磁路结构、铁芯饱和程度相关，铁芯饱和程度越高，工作点偏离线性越远，谐波电流越大，3次谐波电流可达额定电流的0.5%。变压器谐波的典型特征

变压器产生的谐波以奇次谐波为主，其含量受设计参数与运行工况影响，是输配电系统中不容忽视的谐波来源。用电设备产生的谐波

半导体非线性设备含有半导体等非线性电气元件的用电设备，如工业中常见的各种整流电气装置、大容量变频器、大型交直流变换装置以及其他的电力、电子装置，是主要的谐波源之一。

电弧与铁磁设备含有电弧和铁磁材料等非线性材料的用电设备，比如电弧炉、变压器、发电机组等电气设备，会产生谐波。如天业化工厂的电石厂电弧炉、电石炉，因三相电极接触炉料不稳定，燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生2～7次谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。

开关电源设备开关电源设备应用广泛，其工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭。它在整流时产生谐波，且在开关管开闭时，反射约40kHz左右的波至电源，还会产生一定量的三次谐波。

其他常见设备在用电设备中，晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、电石炉、气体放电类电光源、家用电器都会产生谐波。如整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，是最大的谐波源之一。典型谐波源案例分析天业化工厂电石炉谐波案例天业化工厂电石炉在生产过程中，因三相电极接触炉料不稳定，燃烧不平衡，产生2～7次谐波，平均含量达基波的8%～20%，最大可达45%，经变压器三角形绕组注入电网。整流与变频装置谐波案例晶闸管整流设备、变频装置等电力电子设备，通过移相控制从电网吸收缺角正弦波电流，产生大量谐波。如三相全控桥6脉整流器会在变压器原边及供电线路产生5次及以上奇次谐波电流。变压器铁磁饱和谐波案例电力变压器因铁芯饱和及磁化曲线非线性，工作磁密选在近饱和段，导致磁化电流呈尖顶波形，含有奇次谐波，3次谐波电流可达额定电流的0.5%。电弧加热设备谐波案例电弧炉、电焊机等电弧加热设备，因电弧起弧电压特性及电流非对称性，产生18次以下低次谐波污染，其谐波含量取决于自身特性及施加电压。03谐波的危害及影响对电力设备的危害

导致变压器过热与容量下降谐波电流使变压器铜损和杂散损增加，谐波电压增加铁损，导致整体温度上升，基波负载容量下降，噪声增强。3次谐波电流可达额定电流的0.5%，额外增加用电量和运行成本。

加速电容器老化与损坏谐波电压使正弦波变尖，增加绝缘材料电应力；谐波电流叠加导致电容器过电流，温升增高，易发生过热、绝缘老化甚至爆炸，金属化膜电容器在谐波长期作用下老化加速。

引发电机附加损耗与振动谐波使电动机产生附加损耗和机械振动，导致设备过热、绝缘老化，缩短使用寿命。当等值基波负序电压超标时，电动机附加功耗显著增加，可能引发故障停机。

干扰继电保护与自动装置谐波会引起继电保护和自动装置误动作，如负序保护装置受干扰可能误动，威胁电力系统安全运行。电压互感器断线时，若未闭锁保护，易导致保护误判。

造成电能计量混乱与误差谐波使电能计量出现混乱，电子式电能表受谐波干扰可能计量不准确，导致电费收支不合理。非线性负荷产生的谐波电流会影响计量装置的正常采样与计算。对电力系统稳定性的影响引发系统谐振风险谐波频率若与电网谐振频率相近或相同，会在线路中产生很高的谐振电压，严重时可使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。降低系统运行效率谐波会产生额外的功耗，使系统的负载率降低，导致线路过载、开关跳闸和设备故障，进一步降低系统的运行效率和可靠性。干扰继电保护装置谐波可能引起继电保护和自动装置误动作或拒动，降低保护系统的可靠性，容易导致系统故障或使故障扩大，威胁电网安全运行。影响电压质量谐波导致电压波形畸变，降低电压质量，可能引发电压波动、闪变等问题，影响整个电力系统的稳定供电。对用户设备的干扰电子设备显示与功能异常谐波会使电视机、计算机等设备显示亮度波动、图像或图形畸变，甚至导致内部元件损坏，造成设备无法使用或系统运行中断。精密仪器与控制系统紊乱谐波干扰PLC、传感器等精密仪器，引发误动作；对变频器输出导线附近的控制信号、检测信号等弱电信号产生电磁辐射干扰，严重时导致系统无法获取正确检测信号或控制系统紊乱。通信线路信号干扰电力线路中流过较大奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合在邻近通信线路中产生干扰电压，降低通话清晰度，甚至破坏通信线路正常工作。谐波事故案例解析01新疆天宏纸业35kV变电站谐波事故2001年，新疆天宏纸业35kV车间变电所因系统谐波入侵，导致35kV电压互感器TV柜烧毁，进而引发7面高压开关柜烧毁、爆炸，造成车间供电终止，生产受到严重影响。该变电所由6台35/0.4kV、容量6×1600kVA的变压器组成，35kV进线来自天富城西110kV变电站。02事故根源：谐波源与防护缺失事故谐波主要来源于天业化工厂电石厂，其电弧炉、电石炉因三相电极接触炉料不稳定，产生2～7次谐波，平均含量达基波的8%～20%，最大可达45%。天宏纸业变电站原电压互感器柜未配备消谐和消弧装置，无法抵御谐波入侵。03整改措施与效果针对事故原因，改造中选用35kV真空断路器，并将原电压互感器柜更换为XHG消弧、消谐、选线及过电压保护装置柜。2001年底改造完成后，近5年运行期间，再次遭遇系统谐波入侵时，变电站运行情况良好，未发生类似事故。04谐波测量与分析方法模拟滤波器测量法

技术原理与结构特点采用LC无源元件构成滤波电路，通过调谐特定频率实现谐波分离；电路结构简单，由电阻、电感、电容等基础元件组成，成本较低。

主要优势输出阻抗低，对后续测量设备兼容性好；无需复杂算法处理，实时性较强，可快速响应谐波变化。

局限性分析中心频率受元件参数漂移影响大，易受温度、湿度等环境因素干扰；难以同时精确分离多频次谐波，幅频和相频特性不理想；检测结果中易混入基波分量，需额外处理。

适用场景与限制适用于对测量精度要求不高、谐波频次单一的简易监测场景；当电网电压波动时，测量误差显著增大，不适用于复杂电网环境。基于傅里叶变换的测量法

技术原理基于傅里叶变换的谐波测量法，核心是通过离散傅里叶变换（DFT）过渡到快速傅里叶变换（FFT）的基本原理，实现对非正弦周期信号的谐波分量分析。

主要优势该方法测量精度较高，功能多样，使用方便，能够有效获取各次谐波的频率、幅值和相位等信息，是当今应用最为广泛的谐波测量方法之一。

局限性需保持一定时间的电流值采样，计算工作量大，测量时间较长，检测结果时效性较差；当信号频率与采样频率不一致时，易导致信号参数计算不准确，尤其相位误差较大，无法满足高精度测量要求，需对算法进行改进。谐波分析指标

01总谐波畸变率（THD）总谐波畸变率是衡量电能质量的重要指标，定义为各次谐波含有率的平方和的平方根值。THD可表示畸变电压加在电阻性负荷上时的附加发热，以及导体电流引起的附加消耗，但不能很好表示电容上的电压应力。

02波峰系数为表示波形畸变对绝缘等问题的影响，引入波峰系数。畸变波形分解为基波和各次谐波，它们各自的峰值和方均根值之间存在一定比例关系，波峰系数与电压应力相关，而与发热无关。

03各次谐波含有率工程上常要求给出电压或电流畸变波形所含某次谐波的含有率，以便进行监测和采用抑制措施。例如天业化工厂电石炉产生的2～7次谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。

04谐波分析指标的作用35kV变电所谐波分析指标是采用谐波畸变值来帮助评定系统服务质量的定量值，可应用于不同大小的系统，通常作为配电系统的指标参考值，而非精确描述系统所提供服务的指标。电能质量监测技术

谐波监测的核心指标总谐波畸变率（THD）是衡量电能质量的重要指标，定义为各次谐波含有率的平方和的平方根值，用于评估电压或电流波形的畸变程度。

常用谐波测量方法模拟滤波器法结构简单、成本低，但中心频率易受元件参数和环境影响，检测精度较低；基于傅里叶变换的方法（如FFT）精度高、功能多，但计算量大、时效性较差，需注意采样频率与信号频率的同步性。

电能质量监测仪的应用应选用符合IEC61000-4-30标准的监测仪，实时监测电网谐波的主要次数、最大幅值及波动规律，为谐波治理方案提供数据支撑，避免盲目安装补偿设备。

监测数据的分析与应用通过对监测数据的分析，可定位谐波源头，评估谐波对设备的影响程度，为选择合适的滤波装置（如无源或有源滤波器）及优化电网运行提供依据。0535kV变电站谐波限制措施源头抑制措施选用低谐波特性设备在设备选型时，优先选择符合谐波标准（如GB/T14549）的低谐波设备，例如带低谐波认证的变频器、具有主动功率因数校正功能的LED驱动等，从源头上减少谐波产生量。优化非线性设备参数对于电焊机、电弧炉等设备，通过增加电抗器或缓冲电路，改善电流波形，使其更接近正弦波，降低谐波输出。例如，在整流设备中加入储能元件可适当提高阀电压，减少谐波产生。合理规划负载布局避免大量非线性设备集中在同一回路，如充电桩群、数据中心服务器等，应分散到不同配电支路，减少谐波叠加效应，降低对局部电网的谐波污染。采用脉宽调制（PWM）技术在整流器等设备中采用PWM技术，将直流电压调制成等幅不等宽的交流电压脉冲，可有效抑制谐波产生，使输出波形更接近正弦波。增加整流器脉动数整流器件是主要谐波源，增加整流线路中的脉动数（如采用12脉冲整流器替代6脉冲整流器），可使波形更平滑，显著减少低次谐波含量，降低谐波对电网的影响。无源滤波技术

无源滤波器的基本构成无源滤波器主要由电抗器与电容器串联组成回路，并联在系统中，通过形成特定频率的谐振回路来滤除谐波。

无源滤波的工作原理利用LC串联回路的谐振特性，当回路谐振频率与某一谐波频率相同或相近时，对该次谐波呈现低阻抗，从而阻止其流入电网。

无源滤波的特点与适用场景成本较低，结构简单，运行可靠，维护方便，是目前10kV以上变电所常用的谐波治理方式，但滤波效果相对有限。有源滤波技术有源滤波技术的工作原理有源谐波滤除装置通过电力电子元件组成电路，产生与系统谐波同频率、同幅度但相位相反的谐波电流，与系统谐波电流抵消，实现百分之百的滤波效果。有源滤波技术的核心优势滤波效果好，在额定无功功率范围内可有效消除谐波；响应速度快，能实时动态补偿谐波，适用于谐波含量波动大的场合。有源滤波技术的应用限制受电力电子元件耐压和额定电流限制，制作复杂，成本较高，目前在高压大容量场合的应用受到一定制约。XHG柜装置应用

XHG柜的适用范围XHG柜适用于3～35kV中压电力系统，可有效应对系统中的弧光接地、过电压及谐波等问题，保障变电站设备安全运行。

XHG柜的核心组成部件主要由三相组合式过电压保护器（TBP）、可分相控制的高压真空快速接触器（JZ）、控制器（ZK）、高压限流熔断器组件（FUR）及带有辅助二次绕组的电压互感器组成。

XHG柜的基本功能可在30ms左右将单相接地故障相直接接地，熄灭弧光接地电弧，稳定过电压；能识别电压互感器断线故障并输出信号；可限制相间和相对地过电压至3.5倍左右，同时显示故障类型并输出无源开关量信号。

XHG柜的应用案例效果新疆天宏纸业35kV变电站2001年底改造中采用XHG柜，投运后有效抵御系统谐波入侵，近5年运行情况良好，未再发生因谐波导致的设备烧毁事故。其他限制措施源头控制：选用低谐波设备优先选用符合GB/T14549标准的低谐波设备，如带主动功率因数校正的LED驱动、变频器，从源头降低谐波产生量。系统优化：改善电网结构通过增大配电线路截面积、缩短供电距离降低电网阻抗；加装隔离变压器阻断谐波传播，提高电网抗谐波干扰能力。监测管理：建立谐波监测系统安装符合IEC61000-4-30标准的电能质量监测仪，实时监测谐波含量与频谱特性，定位谐波源并制定针对性治理方案。预防谐振：合理配置无功补偿在电容器组串联电抗器，避免谐波与电容发生谐振；控制补偿容量，防止谐波电流放大，确保补偿系统安全运行。06工程案例分析天宏纸业变电站谐波治理案例

01事故背景与原因新疆天宏纸业35kV车间变电所由6台35/0.4kV、容量6×1600kVA变压器组成，2001年因系统谐波入侵，导致35kV电压互感器TV柜烧毁，进而引发7面高压开关柜烧毁爆炸，造成车间供电中断。谐波主要来源于天业化工厂电石生产中的电弧炉、电石炉，产生2-7次谐波，平均含量达基波的8%-20%，最大可达45%。

02改造方案与关键措施针对谐波危害，改造中选用35kV真空断路器替代原有油断路器，并将原电压互感器柜更换为XHG消弧、消谐、选线及过电压保护装置柜。XHG柜包含三相组合式过电压保护器TBP、可分相控制的高压真空快速接触器JZ、控制器ZK、高压限流熔断器组件FUR及带辅助二次绕组的电压互感器，能快速处理接地故障并限制过电压。

03治理效果与运行验证2001年底改造完成投运后，经过近5年运行验证，当系统再次出现谐波入侵时，变电站运行稳定，未发生类似事故。XHG柜可在30ms内将单相接地故障相直接接地，有效熄灭弧光接地，稳定过电压，降低接触电压和跨步电压，保障了设备安全与供电连续性。电石厂谐波影响及治理

电石厂谐波产生机理电石炉在生产过程中，三相电极难以同时接触不平炉料，导致燃烧不稳定，引发三相负荷不平衡，产生谐波电流。其谐波主要为2-7次，平均含量达基波的8%-20%，最大可达45%，经变压器三角形连接绕组注入电网。

谐波对关联变电站的危害案例新疆天宏纸业35kV车间变电所因天业化工厂电石厂产生的谐波入侵，导致35kV电压互感器TV柜烧毁，进而引发7面高压开关柜烧毁、爆炸，造成车间供电终止，生产严重受影响。

电石厂谐波针对性治理措施针对电石厂谐波特点，可采用XHG消弧、消谐、选线及过电压保护装置柜，其包含三相组合式过电压保护器TBP、可分相控制的高压真空快速接触器JZ等部件，能在30ms左右将故障相直接接地，有效限制2-7次谐波及过电压危害。治理效果评估评估指标体系以总谐波畸变率（THD）作为核心指标，结合各次谐波含有率、设备温升、电网损耗等参数，形成多维度评估体系，量化治理效果。典型案例验证新疆天宏纸业35kV变电站改造后，通过采用XHG消弧消谐柜等措施，在近5年运行中有效抵御谐波入侵，未再发生因谐波导致的设备