谐波对供电系统及其供用电设备的影响
发布时间：2015-06-29 08:54 来源：华电国威
谐波对供电系统及其供用电设备的影响主要表现为引起电气设备(电机，变压器和电容器等)附加损耗和发热，使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，甚至损坏：降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性等。
在理想情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但是在实际中，供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国，取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。在供电系统中，产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电能质量变坏。因此，谐波是反映电力质量的重要指标之一。谐波的危害表现为引起电气设备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热：使同步发电机的额定输出功率降低，转矩降低，变压器温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短设备的使用寿命，甚至损坏降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率加大，功率因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。
谐波产生的原因
在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。在发电环节，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。在其它几个环节中，谐波的产生主要来自下列具有非线性特性的电气设备：
①具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如变压器、电抗器等;
②以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等;
③以电力电子元件为基础的开关电源设备，如各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著特点就是它们从电网中取用非正弦电流。也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有其电流而不随着电压同步变化的非线性的电压一电流特性，使流过电网的电流为非正弦波形，因此这种电流波形就由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，从而使电网电压严重失真。此外，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓稳定的谐波电流是指这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值会随时间而变化，因而称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以它们是目前供电系统中的主要谐波源。
谐波对供电系统及其供用电设备的影响
过去由于接入供电系统的非线性设备较小，在系统中引起的谐波电流也很小，因此对电力质量的影响并不大。但随着电子技术的发展，使用大功率半导体开关器件以及各类开关电源的产品的情况增多，如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉、信息技术设备等迅速涌入居民家庭。虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大，但这些设备数量大、分布广，且有些家用电器如电视机、空调器等在使用时具有集中的特点，在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出。不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题已引起各有关方面的高度关注。谐波对供电系统及其供用电设备的影响主要表现在以下几个方面。
增加了发、输、供和供用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗和电能损耗，使导体严重发热。
对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应，磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁芯和绕组中产生的附加损耗也在增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为明显。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上通常的作法是建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
虽然谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩影响不大，但谐波会产生显著的脉;中转矩，由此可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，导致绕组过热;对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。
对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗也增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备形成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波的谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，导致损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2~1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘被击穿的事故。
对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，一方面会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等原因而不能正常地运行。
影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动作后引起跳闸，则后果会相当严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，就会严重威胁电力系统的安全运行。
使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，这样谐波源虽然污染了电网，却反而会少交电费;而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变差，而且还要多交电费。电子式电能表则更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，不但在邻近电力线的通信线路中会产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，会触发电话铃响，甚至在某些严重的情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外，高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3~10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。
对供用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，机内的元件出现过热，从而使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，因为在一定参数的配合下，会形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能会使晶闸管误动作或使控制回路误触发。
谐波对供电系统及其供用电设备的影响，已经引起了社会的广泛关注。抑制谐波的影响，提高电能质量是电力企业当前面临的重大课题。它不仅要在电力系统中大力发展高效的滤波措施，还必须依靠全社会的努力，在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力地抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正抑制谐波对供电系统及其供用电设备的影响。
电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质，通俗来说就是指电网线路中电能的好坏情况。电能质量问题主要由终端负荷侧引起。例如冲击性无功负载会使电网电压产生剧烈波动，降低供电质量。
随着电力电子技术的发展，它既给现代工业带来节能和能量变换积极的一面，同时电力电子装置在各行各业的广泛应用又对电能质量带来了新的更加严重的损害，已成为电网的主要谐波污染源。
电网系统中各个用户端配电网中使用的整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。给用电网络造成影响或者说是用电污染。造成电压不稳、过电压、产生谐波等。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波还会引起电力系统局部发生并联谐振或串联谐振，使谐波含量被放大，致使电容器等设备烧毁。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染。因而消除供配电系统中的高次谐波问题对改善电能质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有着非常积极的意义。另一方面，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求。目前，谐波、电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。
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