簡介

電能質(zhì)量的好壞，直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量，評價電能質(zhì)量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最后是電壓的波形質(zhì)量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質(zhì)量的三方面都有明確的標準和規(guī)范。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節(jié)能燈后，就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比要小很多，造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，用電設備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產(chǎn)生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。

諧波成因

電網(wǎng)諧波來自于3個方面：

1、發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

2、是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

3、是用電設備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波所占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

諧波來源

電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設備，也就是說來自和用電設備。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)生的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發(fā)電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機，凸極機多用于水輪發(fā)電機。

對于諧波分量而言，隱極機優(yōu)于凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓便宜在±7%以下，所以發(fā)電、變電設備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發(fā)電、變電設備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。

為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：

?電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。

?交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。

?交流整流再逆變用電設備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。

?開關(guān)電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。

這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低。

交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應引起足夠關(guān)注。

開關(guān)電源設備應用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應出電流，供給用電設備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40KHz左右，不僅在整流時產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時，反射40KHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單臺容量不大，但它是應用面最大、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10KV電網(wǎng)。

線性淺析

通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補償就無法進行，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。

諧波治理

諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。

1、無源濾波裝置主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設定的LC回路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾波干凈。其主要元件為投切開關(guān)、電容器、電抗器以及保護和控制回路。

2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網(wǎng)絡中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。

治理方法

綜述

 常用的諧波治理的方法無處乎有兩種，無源濾波和有源濾波。下面就談談這二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟效益的分析。

無源濾波

無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補償不能奏效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業(yè)主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經(jīng)濟效益也就可觀了。

國內(nèi)低壓側(cè)高水平的諧波濾除裝置是采用光纖觸發(fā)系統(tǒng)，大幅度降低因諧波干擾致使電纜觸發(fā)所產(chǎn)生的誤動。

有源濾波

有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他電器也就可以了。

對比

趨勢

電力網(wǎng)中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅(qū)動或晶閘管整流直流驅(qū)動設備、計算機、諧波治理重要負載所用的不間斷電源、節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等，這些非線性負載將導致電網(wǎng)污染，電力品質(zhì)下降，引起供用電設備故障，甚至引發(fā)嚴重火災事故等。世界上包括我國的一些建筑物突發(fā)火災被證明與電力污染有關(guān)。

危害

電力設備運行中的問題和故障，諧波治理通常都是由于電網(wǎng)電氣參數(shù)波動或瞬間干擾所引起的，如：電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數(shù)過低、缺相運行等。

長期以來，這些導致設備運行故障、維修工作量增加及增耗電費的情況受到用戶和供電部門的廣泛關(guān)注。

電力污染及電力品質(zhì)惡化主要表現(xiàn)在以下方面：電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡等。

電源污染的危害

電源污染會對用電設備造成嚴重危害，主要有：

1、干擾通訊設備、計算機系統(tǒng)等電子設備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機。

2、影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、核磁共振等設備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。

3、引起電氣自動裝置誤動作，甚至發(fā)生嚴重事故。

4、使電氣設備過熱，振動和噪聲加大，加速絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。

5、造成燈光亮度的波動（閃變），影響工作效益。

6、導致供電系統(tǒng)功率損耗增加。

危害簡介

產(chǎn)生

諧波主要是由于大容量整流或換流設備以及其它非線性負荷，導致電流波形畸變造成的。我們對這些畸變交流量進行分解，即可達到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數(shù)倍的諧波分量。

危害

影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電器，感應式繼電器或新式微機保護進行檢測保護，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產(chǎn)生誤動作，微機保護由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導致誤動或拒動，這樣諧波嚴重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

影響電網(wǎng)的質(zhì)量：高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗，浪費電網(wǎng)容量。

影響供電系統(tǒng)的無功補償設備：供電系統(tǒng)變電站均有無功補償設備，當諧波注入電網(wǎng)時容易造成電壓電容過電流和過負荷，使電容異常發(fā)熱；另外諧波的存在還會加快電容器絕緣介質(zhì)的老化，縮短電容的使用壽命。

影響電力變壓器的使用：諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。

影響用電設備：諧波的存在會造成異步電機電動機效率下降，噪聲增大；使低壓開關(guān)設備產(chǎn)生誤動作；對工業(yè)企業(yè)自動化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性。