電網諧波危害抑制技術
摘要：電網中諧波問題日益嚴重，文章對此綜述了諧波危害及抑制諧波的方法。
關鍵詞：電網諧波危害抑制技術
隨着電網容量迅速增長，電網運行電壓也不斷提高，國外輸電設備電壓已達１０００ｋＶ我國從２０世紀８０年代開始進入大電網時期，輸變設備電壓已達５００ｋＶ。最近開始西北地區黃河上游水電深度開發，國家電力公司已批准建設第一條７５０ｋＶ輸電線路。
隨着工業、農業和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍增長，對供電質量及供電可靠性的要求也越來越多，電力質量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人們的日益重視。例如，工業生產中的大型生產線、飛機場、大型金融商廈、大型醫院等重要場合的計算機系統一旦失電，或因受電力網上瞬態電磁干擾影響，致使計算機系統無法正常運行，將會帶來巨大的
經濟損失。電梯、空調等變頻設備、電視機、計算機、複印機、電子式鎮流器熒光燈等已成爲人民日常生活的一部分，如果這些裝置不能正常運行，必定擾亂人們的正常生活。但是，電視機、計算機、複印機、電子式照明設備、變頻調速裝置、開關電源、電弧爐等用電負載大都是非線性負載，都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網，必然污染公用電網，使公用電網電源的波形畸變，增加諧波成份。
近幾年，傳感技術、光纖、微電子技術、計算機技術及信息技術日臻成熟。集成度愈來愈高的微電子技術使計算器的功能更加完美，體積愈來愈小，從而促使各種電器設備的控制向智能型控制器方向發展。隨着微電子技術集成度的提高，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導致控制單元損壞或失靈。例如，２０世紀７０年代計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現誤動作，而無法找出原因。１９６６年日本三基電子工業公司率先開發了“模擬脈衝的高頻噪音模擬器”，將它產生的脈衝注入被試計算機的電源部分，結果發現計算機在注入１００～２００Ｖ脈衝時就誤動作，難怪計算機在現場無法正常工作，其原因之一是計算機的電源受到了污染。因此，受諧波電流污染的公用電源，輕者干擾設備正常運行，影響人們的正常生活，重者致使工業上的大型生產線、系統運行癱瘓，會造成嚴重經濟損失。
國際電工委員會（ＩＥＣ）已於１９８８年開始對諧波限定提出了明確的要求。美國“ＩＥＥＥ電子電氣工程師協會”於１９９２年制定了諧波限定標準ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２標準中明確規定了計算機或類似設備的諧波電壓畸變因數（ＴＨＤ）應在５％以下，而對於醫院、飛機場等關鍵場所則要求ＴＨＤ應低於３％。
１電網諧波的產生
１．１電源本身諧波
由於發電機製造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應強度分佈稍稍偏離正弦波，因此，產生的感應電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產生的電流稍偏離正弦電流。當然，幾個這樣的電源併網時，總電源的電流也將偏離正弦波。
１．２由非線性負載所致
1.2.1非線性負載
諧波產生的另一個原因是由於非線性負載。當電流流經線性負載時，負載上電流與施加電壓呈線性關係；而電流流經非線性負載時，則負載上電流爲非正弦電波，即產生了諧波。
1.2.2主要非線性負載裝置
（１）開關電源的高次諧波，它由五部分組成：一次整流、開關振盪迴路、二次整流、負載和控制，這幾個部分產生的噪聲不完全一樣；
①一次整流回路噪聲：這是電容輸入型線路，整流脈動電壓要超過Ｃ１上的充電電壓，電流才從電源輸入，電流波形呈脈衝形，對這種脈衝狀電流波進行“傅立葉展開”後，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，還有１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次諧波，這些高次諧波電流全部返回到公用電網中，造成公用電網的波形偏離５０Ｈｚ；
②開關振盪迴路：開關三極管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ以上頻率頻繁通斷，使電路產生高次諧波。其次Ｌ１、Ｌ２線圈間有漏感，在Ｔ１工作時也會形成噪聲；
③二次整流回路噪聲：首先，高次諧波流過Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２產生噪聲。電流突變過程中在Ｌ２、Ｌ４上的反電動勢也會形成噪聲；
④控制迴路噪聲：在完成控制過程也會產生噪聲。
這幾種干擾可以通過電源線等產生輻射干擾，也可以通過電源產生傳導干擾。
（２）變壓器空載合閘涌流產生諧波
變壓器空載合閘時，可以列出下列方程：
ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ωｔ＋α）
求解後得到：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（１）
Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）——磁通的穩態分量；
Φｍｃｏｓα——磁通的暫態分量。
如果合閘時，α＝０（既在μ１＝０的瞬間合閘）得到：
Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（２）
在合閘後半週期（ｔ＝）時，磁通達到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ。
鐵心中磁通波形對時間軸不對稱，考慮剩磁Φ０，則磁通波形再向上移Φ０，從而使對應磁化曲線工作點移向飽和區，因此在磁通變化時，會產生８～１５倍額定電流的涌流，由於線圈電阻Ｒ１的存在，變壓器空載合閘涌流一般經過幾個周波即可達到穩定。所產生的勵磁涌流所含的諧波成份以３次諧波爲主。
（３）單相電容器組開斷時的瞬態過電壓干擾：如果ｔ＝０時，ＣＢ觸頭剛分開，弧電壓很低略去，因此電源電壓ｕ與電容電壓相等，即ｕ＝ｕｃ。
ｔ＝ｔ１時，電流爲零，電弧熄滅，而電源電壓仍然按正弦變化，經過半周到達正向最大。但是，電容電壓ｕｃ＝－Ｕｍ不再變化。斷路器ＣＢ觸頭間電壓Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。
當ｔ＝ｔ２時，如果此時弧隙介質擊穿，這一過程可以看爲Ｕｍ直流電源經電感Ｌ突然加到電壓爲－Ｕｍ的電容上，因分佈參數產生高頻振盪，形成高頻電流：
ｉｃ＝２Ｕｍω０Ｃｃｏｓω０ｔ，（ω０＝）
電容器上電壓爲：
μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ（３）
因此，高頻電流ｉｃ經時間第一次過零時，高頻電流被切斷，電容器上電壓Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，如果此時電弧被熄滅，則Ｕｃ將保持３Ｕｍ不變。
ｔ＝ｔ３時，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此時弧隙又出現擊穿，則電容器電壓可達到５Ｕｍ值。
實際上，由於觸頭間距在開斷過程中不斷增加，因此介質強度不斷增大，當介質恢復強度超過電壓增加速度，重擊穿現象中止，完成開斷，所以電容上過電壓倍數不會達到３倍（上面的討論是假設弧隙重擊穿發生在電流過零後１０ｍｓ，因此恢復電壓達到最大值）。
用普通斷路器投切電容器ｃ１時（ｃ１處於２０ｋＶ線路），產生１．８（ｐ．ｕ）過電壓，導致諧振，諧振卻又在ｃ２處（ｃ２處於６ｋＶ線路）產生高於４（ｐ．ｕ）的過電壓。
電力電子調速系統普遍應用於工業中改進電機效率及靈活性設備，調速裝置內電力電子器件對過電壓特別敏感，因此線路中瞬態過電壓會造成調速系統的過電壓保護誤跳閘。由於與中壓母線相連的電容器要經常操作，這意味着調速系統誤跳閘事故會經常發生；
（４）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國１０ｋＶ、３５ｋＶ等級的中性點不接地配電網中，爲了監視對地絕緣，一般採用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對地電壓是平衡的，但是由於發生單相接地故障等原因，會導致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感Ｌ和系統對地電容Ｃ在參數上配合，而產生諧振過電壓。我們先看一下，它是典型的Ｌ、Ｃ並聯電路。ｘｃ＝，ｘＬ＝ωＬ，ｘｃ是線性參數，但是ｘＬ是非線性參數，其大小與鐵芯飽和程度有關，如發生並聯諧振，則產生較高的諧振過電壓；
（５）整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉成直流電，而逆變器是將直流電轉變成交流電。大功率整流器廣泛應用於冶金、化工等領域，大功率整流器——逆變器廣泛應用於交流變頻調速及交－直流電動機的調速等領域。
其電路中的二極管視爲理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形爲矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數展開式展開週期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（５０Ｈｚ基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應該說電動機採用變頻器進行調速，可以高水平完成調速外，也可以節省大量電能（近３０％），但如前面分析，變頻調速過程中要產生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區的電視、音響系統不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產生過熱。
這些高次諧波是通過三個途徑竄入產生干擾的。其一是通過電容耦合；其二是通過高次諧波電流產生的電磁感應；其三是直接由接地迴路或電源線竄入的。
（６）電弧爐運行引起電壓波動：隨着冶煉工業的發展，當然會更多地使用電弧爐，這是一個重要負荷。運行時，電極和金屬碎粒之間會發生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路－開路－短路的過程，會引起用戶端電壓波動及白熾燈閃爍，一般電壓波動頻率是０．１Ｈｚ～幾十Ｈｚ，這種諧波是以３次諧波爲主。
２諧波的'危害
２．１污染公用電網
如果公用電網的諧波特別嚴重，則不但使接入該電網的設備（電視機、計算機等）無法正常工作，甚至會造成故障，而且還會造成向公用電網的中性線注入更多電流，造成超載、發熱，影響電力正常輸送。
２．２影響變壓器工作
諧波電流，特別是３次（及其倍數）諧波侵入三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組發熱。對Ｙ形連接中性線接地系統中，侵入變壓器的中性線的３次諧波電流會使中性線發熱。
２．３影響繼電保護的可靠性
如果繼電保護裝置是按基波負序量整定其整定值大小，此時，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會引起負序保護裝置的誤動作，影響電力系統安全。
２．４加速金屬化膜電容器老化
在電網中金屬化膜電容器被大量用於無功補償或濾波器，而在諧波的長期作用下，金屬化膜電容器會加速老化。
２．５增加輸電線路功耗
如果電網中含有高次諧波電流，那麼，高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。
如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大１０～２０倍，而感抗僅爲其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。
２．６增加旋轉電機的損耗
國際上一般認爲電動機在正常持續運行條件下，電網中負序電壓不超過額定電壓的２％，如果電網中諧波電壓折算成等值基波負序電壓大於這個數值，則附加功耗明顯增加。
２．７影響或干擾測量控制儀器、通訊系統工作
例如，直流輸電中，直流換流站換相時會產生３～１０ｋＨｚ高頻噪聲，會干擾電力載波通信的正常工作。
３諧波抑制技術
３．１整機電源需留有較大貯備量
爲了使測量、控制裝置能滿足負載較大變化範圍，因此在設計整機電源時，可給予較大貯備量，一般選取０．５～１倍餘量；
３．２對干擾大的設備與測控裝置採用不同相線供電
因爲測量、控制裝置的許多幹擾是由電源線竄入的，因此在規劃供電線路時，對干擾大的設備與測控裝置採用不同相線供電。
３．３將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開
將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開。因爲動力裝置的負荷變動大，測量、控制、微機及電視機的負荷小，動力裝置產生的干擾大，供電電源分開後，測量、控制、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。
３．４其餘抑制高次諧波的技術
3.4.1開關電源干擾的抑制技術
一般採用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關電源本身干擾能量。
採用電源濾波器。其中Ｃ１、Ｃ２具有抑制串模干擾，Ｌ１、Ｌ２可以抑制共模干擾，而Ｃ４、Ｃ３可以抑制串共模干擾。電源濾波器可以阻止電網中的干擾進入開關電源，也可以阻止開關電源的干擾進入電網。
屏蔽技術可以有效地防止向外輻射干擾。
減少開關電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時，因磁芯不飽和而產生的較大電勢阻止反向電流上升。
3.4.2變壓器空載合閘涌流抑止方法
根據方程（１），如果合閘時，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合閘），則：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４）
沒有暫態分量，合閘後磁通立即進入穩定狀態，理論上可以避免衝擊涌流過程。
3.4.3抑制單相電容器組開斷瞬態過電壓方法
如果採用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產生的瞬態過電壓，從而使接在母線上的電力電子調速系統可以穩定地工作，接在母線上的其餘設備也可不受過電壓干擾的影響。
3.4.4抑制電壓互感器鐵磁諧振方法
其方法是要使它脫離諧振區。電壓互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系統對地電容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ），在ｏａ區間，合成電流呈容性，合成電流隨電壓上升而增加，在ａｂ區間鐵芯飽和導致ＸＬ電抗減少（電感電流非線性急劇增長），最後使合成電流仍爲容性，合成電流隨電壓上升而減少，所以ａｂ區間是不穩定區間，在ｂ點合成電流爲零，這時ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），發生並聯諧振。採用中性點不接地的電壓互感器或採用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。
3.4.5抑止整流和逆變產生的諧波
（１）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側加裝三隻６８０μｆ２５０ＶＡＣ的電容，（分別接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）這種方法可使電磁干擾電流降至原來的１／１０，效果較明顯；
（２）變頻器的電源電纜採用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管並接地，輸出電纜也穿鐵管並接地，屏蔽層應在接變頻器處和電機處兩端都接地。
3.4.6抑止電弧爐運行時的干擾
（１）在合適地段加入電容補償裝置，補償無功波動；
（２）可以重新安排供電系統。
４結束語
隨着非線性電力設備的廣泛應用，電力系統中諧波問題越來越嚴重，一方面造成了電力設備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計算機、電視系統等電子設備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。
諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設備製造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應合理規劃電網，電力電子設備（特別一次設備）應符合電磁發射水平，電子設備、電子儀器應滿足電磁兼容性要求。
