注册电气考试系列讲座---供电系统谐波

一、谐波定义

n     供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=f_n/f₁) 称为谐波次数。

n    谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。

二、谐波源

n     向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。

n     我国企业越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。

谐波电流和特征谐波

n    谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。

n     各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。如3,5，7，11，13次等。

谐波分析的等效电路

n    对于多电压等级的电网，谐波电流由低压侧流向高压侧，其大小基本上与高压侧参数无关，可视为恒流源。谐波电压由高压侧传输到低压侧，可视为恒压源。在进行谐波分析时，就是根据这个原则构造电网的谐波等效电路。

1.电网元件的频率特性

n    在谐波频率范围内，由于涡流和漏磁场的作用，电网元件的谐波参数要考虑长线效应，即变压器和导线的等效电阻R随频率的上升而增加，等效电感L随频率的上升而降低。电缆、导线和电容器的电容C基本不随频率变化而保持恒定。负载阻抗与频率的关系依负载的不同而异。电机类负荷在简化分析时可只考虑其漏感。电机漏感Lsn的频率特性与变压器相似。

2.电网等效电路

n    电网可以由电网各元件的谐波参数Rn，Ln和Cn组成等效网络。三相对称电网的等效电路图通常采用单相表示。根据等效电路计算各频率下的节点导纳矩阵Yn，求出阻抗Zn，计算谐波电压Un=Zn*In。

n    电网在某些谐波频率下会发生并联谐振，导致谐波电流大幅度增加。

三、谐波危害

n    1.电动机
谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流一起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5~10%。

谐波危害

n    2.电容器
        谐波可使电容器过流发热。在畸变电压下电容器的电流有效值为：
有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流（Ic=CUn）。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。

谐波危害

n    3.电子装置
        谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产生不良影响。

n    4.通讯系统
        在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。

四、谐波限值

n    为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境。

限制电力系统谐波的国家标准

n    我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准GB/T14549-93 《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值。

n    电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示：
HRVn=（Un/U1）100%
 HRIn =（In / I 1）100%
式中 Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；
U1、I1为基波电压、电流有效值。

公用电网谐波电压（相电压）极限值

谐波次数及谐波电流允许值(略)

谐波次数及谐波电流允许值(略)

五、谐波抑制

n     变压器的原副边绕组中有一组为三角形接法时，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，仍可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。

n    将三相桥式电路的脉动数从6提高到12，可消除5，7次谐波。将多个谐波源接于同一段母线，利用谐波的相互补偿作用也可降低电网谐波含量。

谐波抑制

n    当谐波量超出规程允许值或者电网在谐波范围内有谐振时，通常设置单调谐滤波器吸收特征谐波。对于13次及以上的谐波，可设置一个高通滤波器。

n    滤波回路也会吸收电网原有谐波并可能性导致过负荷。一般通过调整失谐率，降低品质因数或者通过附加电子装置控制电流值来避免过负荷。

滤波器的选择原则

n     根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，适当选择滤波器，其原则为：

n    其一，要求电磁干扰滤波器在相应工作频段范围内，能满足负载要求的衰减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求时，则可采用多级联，可以获得比单级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好衰减特性。

n    其二，要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果要抑制的频率和有用信号频率非常接近时，则需要频率特性非常陡峭的滤波器，才能满足把抑制的干扰频率滤掉，只允许通过有用频率信号的要求。

n    其三，在所要求的频率上，滤波器的阻抗必须与它连接的干扰源阻抗和负载阻抗相匹配，如果负载是高阻抗，则滤波器的输出阻抗应为低阻；如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则滤波器的输出阻抗应为高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知的或者是在一个很大的范围内变化，很难得到稳定的滤波特性，为了获得滤波器具有良好的比较稳定的滤波特性，可以在滤波器输入和输出端，同时并接一个固定电阻。

n    其四，滤波器必须具有一定耐压能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠地工作，能够经受输入瞬时高压的冲击。

n    其五，滤波器允许通过应与电路中连续运行的额定电流一致。定电流的高了，会加大滤波器的体积和重量；定电流的低了，又会降低滤波器的可靠性。

n    其六，滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、按装方便，安全可靠。

  电容器的谐波抑制电容器可通过串联电抗器形成谐波阻塞回路，以防止电容器谐波过负荷。

  一般将串联谐振频率定在250Hz以下。