论文部分内容阅读
【摘要】本文就谐波的定义及产生的原因做了初步的理论探讨，并结合湘西电网的实际情况对谐波的危害做了分析，最后，总结了谐波治理的方案。
【关键词】电网谐波危害治理
Preliminary discussion the wave in harmony
of electric wire netting Xiangxi
Li min minHuang liu yi
(Xiangxi Electri power bureau,jishou, hunan province 416000, china)
Abstract: The thesis has done the preliminary theory discussion on the definition and production reason of the wave in harmony, and make analysis to the danger of harmony combine the actual of electric wire netting Xiangxi. And last summarized the scheme of administration of the wave in harmony.
Keywords: wave in harmony 、danger 、administration
一、 引言
电力系统是一个发、变、送、用电能的整体，系统中电流电压的波形则是反映电能质量的重要技术指标。理想中的电流电压波形应该是标准的正弦波，既波形在任何周期内都严格遵循标准的正弦表达式，幅值相等，频率和相位没有突变。这一点也是系统中大多数设备分析的基础和理论前提。但是，实际上，随着大量整流设备和电子设备在系统中的使用，使得电气波形发生畸变，或者频率和相位突变的情况大量存在。由于谐波干扰的日趋严重，也由于用户对电能质量要求的日趋严格，分析谐波、治理谐波，已经成为我们面临的一个紧迫任务。
二、 谐波的理论分析
1、 谐波的定义
从电路理论中可以知道，对于任何周期性的非正弦波，都可以通过傅立叶分解为基波及一系列的高次波。引申到电力系统中，任何发生了畸变、偏离正弦波形的非正弦电流电压波，也都可以通过傅立叶分解，得到基波（f=50HZ）及一系列的高次波分量。我们就将傅立叶级数中次数高于1的分量成为谐波，相应产生谐波的装置称为谐波源。所以，谐波是一种数学分析模型，我们可以说，谐波并不是系统从物理上产生，而是通过分析变换得到。之所以这种分析变换能成立，是因为畸变波形对系统的影响，与这种畸变波形通过傅立叶分解得到的一系列波形分别对系统影响叠加，两者得到的结果完全相同。
2、 谐波产生的机理分析
系统中的波形为什么会发生畸变，这是谐波产生的机理问题。举一个简單的例子，铁芯的磁化曲线如下：
它并非在任何电流下都是直线。也就是说，只有在电流i小于一定的范围，磁通Φ才与i成线性正比关系。超过这一范围，铁芯饱和，曲线趋于平缓，两者体现出一种非线性。假如这是TA的铁芯磁化曲线，而且铁芯的饱和电流偏小，这样，即使原方为正弦波形，副方也不是正弦波，而是一种近似的平顶波，如图：
这种平顶波含有较大的三次（f=150HZ）谐波分量，如图：
系统中谐波产生的原因，主要有以下2点：
①、负荷及设备本身的非线性；
②、整流性质的负荷大量存在。
当电力系统向非线性设备及整流负荷供电时，这些设备或负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流换流器）吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。
其中，整流性质的负荷包括电解、换流、电气化铁路、电弧炉、家用电器等。它们的共同特点是：电能变换通过晶闸管、可控硅等半导体元件实现，这些半导体元件轮流导通和关断，使得电源电流的波形随之强行变化，从而波形畸变，产生不同频率的谐波。所以，它产生谐波的机理与非线性负荷有很大的区别。如最简单的单相半波整流，经过整流后的电流波形图如下：
由于二极管的单相导电性，其电流会出现间断，已经不是标准的正弦形。此类装置产生的特征谐波次数为k±1，即为直流和各次谐波。
根据系统的实际情况，电压波形主要由设备的线性、系统的接线情况决定，而电流波形则主要由负荷性质决定。当然，谐波是一个复杂问题，电流与电压之间会相互影响。但是，一般来说，系统中的电流畸变度要大于电压畸变度，我们说的谐波源，一般指电流源。
3、 系统中的谐波效应
①、在电网系统中，谐波危害最直接的表现是增加了供用电设备的损耗，使设备局部发热，加速绝缘老化，降低了设备的出力和使用寿命。如对于变压器，其损耗是按额定频率50HZ设计的，其铁损和铜损与频率成正比，高次谐波的侵入，无疑会增加损耗，降低绝缘水平；而对于旋转电机，不同频率的谐波还会在转子上产生扭矩，激发电机的周期性震动，并伴有噪音。这也是降低使用寿命的一种表现。
②、系统中存在大量的电感、电阻、电容元件，在一定的参数配合下，系统容易发生谐振，诱发出过电压及过电流。这对系统中的电容补偿装置表现尤为明显。当然，谐波并不是造成系统谐振的唯一原因，系统参数首先必须配合得当。但是谐波的存在无疑会大大加强谐振发生的几率，同时将系统中原本微小的谐波电流电压放大，使系统局部过电流及电压，危及设备运行的安全；
③、谐波对二次设备的影响，主要表现在：增加或减少电能表的读数，使电能计量失准；使电子类测试仪表出现较大的误差；引起二次保护的误动作等。
三、 湘西电网谐波的现状
湘西电网地处湖南西部，本身的结构比较薄弱，主网电源单一。而负荷又以电解槽、中频炉等整流性质的负荷为主，约占80%以上，所以谐波问题相当突出，由谐波所引起的设备事故也屡见不鲜。谐波次数为：hc=kP±1(其中P为脉动数，K为任意整数，如三相全波整流脉动数为6)；我局用户整流设备大部分为3相全波整流设备，主要产生5、7、11、13次谐波。如我局所属的花桥变，安装有5万KVA及31500KVA主变各一台，且高压侧有一110KV用户，负荷重，最大可达7万KW，且负荷均为生产原矿的企业，使用的全部是整流换流、电弧炉、中频炉等谐波源，这类负荷功率因数低，大部分只有0.6—0.7，而且将大量的谐波电流注入系统使得谐波系数严重超标。因电压波动太大，此变电站一直不能做为终端变电站运行。电压畸变率：110KV ：3%—3.5%，10KV ： 7—8%，电流畸变率110KV与10KV有一定的差别，谐波主要为5、7、11、13、19次，我局普通无功补偿电容器一般串6%电感，对3次谐波存容性，5次及以上谐波存感性，谐波电容器就是通过串不同的电感，使之对某一次谐波谐振，感抗接近为0，达到滤波的作用）才有放大的可能，电容器对某一次谐波存感性，和系统电感无法谐振，不能放大。因当系统谐波电感和电容器综合谐波电容达到配合时，产生严重的串联或并联谐振，就是电容器严重放大谐波现象。而且使主变10KV侧电压波动变大，电容器很多时候根本无法工作。去年4月，该变电站发生了一起因谐波的侵入而造成的主变10KV侧断路器跳闸事故。电网局部发生谐振，10KV电压在10.9KV至8.9KV之间长时间来回波动，消谐的三次、五次、七次的电容器不平衡电流电压保护相继跳闸。主变没有了电容补偿，功率因数降低，电流增大，1#主变10KV侧TA严重过热而出现冒烟，随后主变差动保护动作跳闸，损失负荷4万KW，整个过程历时不过20分钟。由此可见谐波对湘西电网危害的严重程度。
四、 谐波的治理
目前，谐波治理最主要的方式是在谐波严重的地区加装与电网并联的交流无源滤波装置。该装置的工作原理是利用LC电路串联谐振特点，使其在单个频率或一个频率的范围内呈现出较低的阻抗，从而为电网中特定次数的谐波提供一个泄放通道，或者说，吸收电网中频率相当的谐波电流。按照典型的接线，它又分为单调谐滤波器和高通滤波器，两者的原理图如下：
可以看出，两者的区别是单调谐滤波器L、C、R串联，因此只有一个谐振点；而高通滤波器L、 R并联，其合成阻抗不可能大于R，所以它不象单调谐滤波器那样只对一个频率呈现低阻抗，而是当频率超过临界值后，在很宽的频率范围内呈现低阻抗的特点。高通滤波器一般用于滤掉次数较高、份量较小的谐波。
无源滤波器结构简单，运行维护方便。我局于去年在花桥变安装后，110KV、10KV侧的电压波形畸变率控制在2%及4%以内，10KV侧的谐波电流控制在5%以内，证明谐波治理取得了一定的效果。但它最大的缺点就是：这种方式是被动的、消极的，只能补偿特定次数的谐波，一旦设备定型就不能更改。而用户的负荷性质发生变化，原来的补偿方案可能就不适用。同时，该类装置运行时损耗大，特别是滤波电容部分易受外界影响，设计时还需考虑无功补偿和电压调整的要求。所以近年来，有源电力滤波器（APF）正日益受到广泛的关注，它的原理有点类似“削峰填谷”，那就是：适时产生标准的正弦波形电流，与电网中实际电流相比较，得出差值（谐波），滤波器产生与谐波相反的电流，使流入电网的总谐波电流为0。随著脉冲宽度调节（PWM）技术的发展及“瞬时无功功率理论”研究的深入，这种滤波器的优点已经越来越突出，不过目前尚未成熟，国内还处于实验阶段，国外也只有日本的技术较为先进，但它无疑具有广阔的发展前景。
五、思考与建议
1、严格贯彻“谁产生，谁治理”的原则，控制新的谐波用户进网，同时对原有的谐波用户应限期整改；
2、在电网谐波含量较高处安装谐波监视仪，以监视分析谐波情况，对于安装的滤波补偿装置，应加强运行监视与维护；
3、投退消谐电容器时，先投低次后投高次，退时先退高次后退低次。因为在一定系统方式条件下，参数配合时，高次谐波电容器对低次谐波可能具有放大作用。
4、谐波治理应与运行方式、无功补偿结合起来考虑，以获得最佳方案。
参考文献：
1、 王洪新 贺景亮主编《电力系统电磁兼容》 武汉大学，2004
2、 中电联供电分会《第十次技术管理研讨会资料汇编》，2002
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
【关键词】电网谐波危害治理
Preliminary discussion the wave in harmony
of electric wire netting Xiangxi
Li min minHuang liu yi
(Xiangxi Electri power bureau,jishou, hunan province 416000, china)
Abstract: The thesis has done the preliminary theory discussion on the definition and production reason of the wave in harmony, and make analysis to the danger of harmony combine the actual of electric wire netting Xiangxi. And last summarized the scheme of administration of the wave in harmony.
Keywords: wave in harmony 、danger 、administration
一、 引言
电力系统是一个发、变、送、用电能的整体，系统中电流电压的波形则是反映电能质量的重要技术指标。理想中的电流电压波形应该是标准的正弦波，既波形在任何周期内都严格遵循标准的正弦表达式，幅值相等，频率和相位没有突变。这一点也是系统中大多数设备分析的基础和理论前提。但是，实际上，随着大量整流设备和电子设备在系统中的使用，使得电气波形发生畸变，或者频率和相位突变的情况大量存在。由于谐波干扰的日趋严重，也由于用户对电能质量要求的日趋严格，分析谐波、治理谐波，已经成为我们面临的一个紧迫任务。
二、 谐波的理论分析
1、 谐波的定义
从电路理论中可以知道，对于任何周期性的非正弦波，都可以通过傅立叶分解为基波及一系列的高次波。引申到电力系统中，任何发生了畸变、偏离正弦波形的非正弦电流电压波，也都可以通过傅立叶分解，得到基波（f=50HZ）及一系列的高次波分量。我们就将傅立叶级数中次数高于1的分量成为谐波，相应产生谐波的装置称为谐波源。所以，谐波是一种数学分析模型，我们可以说，谐波并不是系统从物理上产生，而是通过分析变换得到。之所以这种分析变换能成立，是因为畸变波形对系统的影响，与这种畸变波形通过傅立叶分解得到的一系列波形分别对系统影响叠加，两者得到的结果完全相同。
2、 谐波产生的机理分析
系统中的波形为什么会发生畸变，这是谐波产生的机理问题。举一个简單的例子，铁芯的磁化曲线如下：
它并非在任何电流下都是直线。也就是说，只有在电流i小于一定的范围，磁通Φ才与i成线性正比关系。超过这一范围，铁芯饱和，曲线趋于平缓，两者体现出一种非线性。假如这是TA的铁芯磁化曲线，而且铁芯的饱和电流偏小，这样，即使原方为正弦波形，副方也不是正弦波，而是一种近似的平顶波，如图：
这种平顶波含有较大的三次（f=150HZ）谐波分量，如图：
系统中谐波产生的原因，主要有以下2点：
①、负荷及设备本身的非线性；
②、整流性质的负荷大量存在。
当电力系统向非线性设备及整流负荷供电时，这些设备或负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流换流器）吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低。
其中，整流性质的负荷包括电解、换流、电气化铁路、电弧炉、家用电器等。它们的共同特点是：电能变换通过晶闸管、可控硅等半导体元件实现，这些半导体元件轮流导通和关断，使得电源电流的波形随之强行变化，从而波形畸变，产生不同频率的谐波。所以，它产生谐波的机理与非线性负荷有很大的区别。如最简单的单相半波整流，经过整流后的电流波形图如下：
由于二极管的单相导电性，其电流会出现间断，已经不是标准的正弦形。此类装置产生的特征谐波次数为k±1，即为直流和各次谐波。
根据系统的实际情况，电压波形主要由设备的线性、系统的接线情况决定，而电流波形则主要由负荷性质决定。当然，谐波是一个复杂问题，电流与电压之间会相互影响。但是，一般来说，系统中的电流畸变度要大于电压畸变度，我们说的谐波源，一般指电流源。
3、 系统中的谐波效应
①、在电网系统中，谐波危害最直接的表现是增加了供用电设备的损耗，使设备局部发热，加速绝缘老化，降低了设备的出力和使用寿命。如对于变压器，其损耗是按额定频率50HZ设计的，其铁损和铜损与频率成正比，高次谐波的侵入，无疑会增加损耗，降低绝缘水平；而对于旋转电机，不同频率的谐波还会在转子上产生扭矩，激发电机的周期性震动，并伴有噪音。这也是降低使用寿命的一种表现。
②、系统中存在大量的电感、电阻、电容元件，在一定的参数配合下，系统容易发生谐振，诱发出过电压及过电流。这对系统中的电容补偿装置表现尤为明显。当然，谐波并不是造成系统谐振的唯一原因，系统参数首先必须配合得当。但是谐波的存在无疑会大大加强谐振发生的几率，同时将系统中原本微小的谐波电流电压放大，使系统局部过电流及电压，危及设备运行的安全；
③、谐波对二次设备的影响，主要表现在：增加或减少电能表的读数，使电能计量失准；使电子类测试仪表出现较大的误差；引起二次保护的误动作等。
三、 湘西电网谐波的现状
湘西电网地处湖南西部，本身的结构比较薄弱，主网电源单一。而负荷又以电解槽、中频炉等整流性质的负荷为主，约占80%以上，所以谐波问题相当突出，由谐波所引起的设备事故也屡见不鲜。谐波次数为：hc=kP±1(其中P为脉动数，K为任意整数，如三相全波整流脉动数为6)；我局用户整流设备大部分为3相全波整流设备，主要产生5、7、11、13次谐波。如我局所属的花桥变，安装有5万KVA及31500KVA主变各一台，且高压侧有一110KV用户，负荷重，最大可达7万KW，且负荷均为生产原矿的企业，使用的全部是整流换流、电弧炉、中频炉等谐波源，这类负荷功率因数低，大部分只有0.6—0.7，而且将大量的谐波电流注入系统使得谐波系数严重超标。因电压波动太大，此变电站一直不能做为终端变电站运行。电压畸变率：110KV ：3%—3.5%，10KV ： 7—8%，电流畸变率110KV与10KV有一定的差别，谐波主要为5、7、11、13、19次，我局普通无功补偿电容器一般串6%电感，对3次谐波存容性，5次及以上谐波存感性，谐波电容器就是通过串不同的电感，使之对某一次谐波谐振，感抗接近为0，达到滤波的作用）才有放大的可能，电容器对某一次谐波存感性，和系统电感无法谐振，不能放大。因当系统谐波电感和电容器综合谐波电容达到配合时，产生严重的串联或并联谐振，就是电容器严重放大谐波现象。而且使主变10KV侧电压波动变大，电容器很多时候根本无法工作。去年4月，该变电站发生了一起因谐波的侵入而造成的主变10KV侧断路器跳闸事故。电网局部发生谐振，10KV电压在10.9KV至8.9KV之间长时间来回波动，消谐的三次、五次、七次的电容器不平衡电流电压保护相继跳闸。主变没有了电容补偿，功率因数降低，电流增大，1#主变10KV侧TA严重过热而出现冒烟，随后主变差动保护动作跳闸，损失负荷4万KW，整个过程历时不过20分钟。由此可见谐波对湘西电网危害的严重程度。
四、 谐波的治理
目前，谐波治理最主要的方式是在谐波严重的地区加装与电网并联的交流无源滤波装置。该装置的工作原理是利用LC电路串联谐振特点，使其在单个频率或一个频率的范围内呈现出较低的阻抗，从而为电网中特定次数的谐波提供一个泄放通道，或者说，吸收电网中频率相当的谐波电流。按照典型的接线，它又分为单调谐滤波器和高通滤波器，两者的原理图如下：
可以看出，两者的区别是单调谐滤波器L、C、R串联，因此只有一个谐振点；而高通滤波器L、 R并联，其合成阻抗不可能大于R，所以它不象单调谐滤波器那样只对一个频率呈现低阻抗，而是当频率超过临界值后，在很宽的频率范围内呈现低阻抗的特点。高通滤波器一般用于滤掉次数较高、份量较小的谐波。
无源滤波器结构简单，运行维护方便。我局于去年在花桥变安装后，110KV、10KV侧的电压波形畸变率控制在2%及4%以内，10KV侧的谐波电流控制在5%以内，证明谐波治理取得了一定的效果。但它最大的缺点就是：这种方式是被动的、消极的，只能补偿特定次数的谐波，一旦设备定型就不能更改。而用户的负荷性质发生变化，原来的补偿方案可能就不适用。同时，该类装置运行时损耗大，特别是滤波电容部分易受外界影响，设计时还需考虑无功补偿和电压调整的要求。所以近年来，有源电力滤波器（APF）正日益受到广泛的关注，它的原理有点类似“削峰填谷”，那就是：适时产生标准的正弦波形电流，与电网中实际电流相比较，得出差值（谐波），滤波器产生与谐波相反的电流，使流入电网的总谐波电流为0。随著脉冲宽度调节（PWM）技术的发展及“瞬时无功功率理论”研究的深入，这种滤波器的优点已经越来越突出，不过目前尚未成熟，国内还处于实验阶段，国外也只有日本的技术较为先进，但它无疑具有广阔的发展前景。
五、思考与建议
1、严格贯彻“谁产生，谁治理”的原则，控制新的谐波用户进网，同时对原有的谐波用户应限期整改；
2、在电网谐波含量较高处安装谐波监视仪，以监视分析谐波情况，对于安装的滤波补偿装置，应加强运行监视与维护；
3、投退消谐电容器时，先投低次后投高次，退时先退高次后退低次。因为在一定系统方式条件下，参数配合时，高次谐波电容器对低次谐波可能具有放大作用。
4、谐波治理应与运行方式、无功补偿结合起来考虑，以获得最佳方案。
参考文献：
1、 王洪新 贺景亮主编《电力系统电磁兼容》 武汉大学，2004
2、 中电联供电分会《第十次技术管理研讨会资料汇编》，2002
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。