電能質量概述講解（四）：公用電網諧波標準、產生原理、源、危害及諧振解析

4.1 諧波標準

為了加強我國公用電網諧波的管理,我國公用電網諧波管理的國家標準, 1984年原水利電力部頒發了《電力系統諧波管理暫行規定》,編號為SD126－1984。經過近十年的執行,我國電網在諧波管理上前進了一大步,1993年7月31日由國家技術監督局頒布了關于諧波方面的國家標準,即GB /T 14549－1993《電能質量公用電網諧波》,并于1994年3月1日實施。

GB /T 14549—1993規定了公用電網諧波的允許值、測試方法,適用于交流額定頻率為50Hz,標準電壓為110kV及以下的公用電網。標準電壓為220kV的公用電網可參照110kV執行。該標準不適用于暫態現象和短時間諧波。

GB /T 14549－1993規定的公用電網諧波電壓(相電壓)限值如表1所示。

表1 諧波電壓限值

公用連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量(均方根值)不應超過表2中規定的允許值。

表2 注入公共連接點的諧波電流允許值

當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時,表2中的諧波電流允許值應經過一定的換算。換算公式為：

其中：

I h－公共連接點的各次諧波電流允許限值(A)

I GB －基準短路容量下的公共連接點各次諧波電流允許值(A)

Sr－實際短路容量(MVA)

Sj －基準短路容量(MVA)

4.2 諧波產生的原理

電網在正常情況下，電壓U隨時間t作周期變化，呈正弦規律，函數關系為：

其中，U、ω、φ稱為電壓正諧波的三要素。這種正弦波形的基波周期函數在進行加、減、微分和積分運算時，其結果仍保持正弦周期函數的特點。

但由于非線性負荷的影響，使正弦波形發生畸變，其形狀可用一系列與基波頻率整數倍的不同頻率的正弦波形疊加而成。這些為基波頻率整數倍的高次頻率波，統稱為諧波或高次諧波。

非線性負荷及整流性負荷產生諧波的基本原理如下：

1）非線性負荷

交流電網中的諧波主要是由于非線性特性的負載引起的。正常情況下，供電電壓為純正弦量，若供電給線性的純阻性負載R，則

因此，U、I同樣具有正弦波形。

若純正弦電壓供給非線性的純阻性負荷，即R=f(t)，這樣，電阻將隨時間在變化，則：

由于g(t)對sinωt 進行了調制，使得電流波形發生了畸變。

如果將非線性負荷的電流波形進行傅立葉分解，可得到一系列的波形與正弦波基波。

（2）整流性負荷

整流性負荷產生諧波的機理，主要基于一系列進行電能交換的裝置是由半導體非線性元件組成的。這些半導體非線性元件可控（或不可控）地輪回導通和關斷，盡管由于電感的存在使這一過程并未產生突變，但造成了交流電源電流回路的波形強行發生了變化，使得正弦波形產生畸變。

4.3諧波源

造成系統正弦波形畸變、產生高次諧波的設備和負荷，稱為諧波源。諧波源可以分為電壓源和電流源，一切非線性設備和負荷都是諧波源。

諧波源產生的諧波與其非線性特性有關，主要有：a.鐵磁飽和型：各種鐵心設備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現非線性，主要諧波為3、5、7次；b.電子開關型：主要為各種交直流裝置（整流器、逆變器）以及雙向晶閘管可控開關設備等，特征諧波與脈動數P有關;電弧型：如電爐，其諧波電流具有很大的隨機性，主要諧波為2、3、4、5、7次。在電廠內，如變頻調速裝置、軟起動裝置、不間斷電源系統、勵磁系統、直流充電裝置等，其非線性呈現交流波形的開關切合和換向特性。

由于系統施加于負荷的基本電壓不變，諧波負荷通過向電力系統取得一定的電流作功，該電流不因系統外界條件和運行方式而改變。而諧波源固有的非線性伏－安特性決定了電流波形的畸變，使其產生的諧波電流與基波電流具有一定的比例，因此，非線性負荷一般都是諧波電流源，向系統注入一定的諧波電流。

諧波電流源的諧波內阻抗遠大于系統諧波阻抗，故諧波電流源在系統中一般按恒流源對待，諧波源注入電力系統的諧波電流，在系統的阻抗上產生相應的諧波壓降，形成系統內部電壓，使原有的正弦波形電壓產生畸變。

1）發電機的諧波

發電機實際運行時，磁極磁場并非完全按正弦分布，所有感應電勢也不完全是正弦波形，含有一定的諧波成分，因此發電機的輸出電壓本身就含有一定的諧波。發電機產生的諧波電壓的幅值和頻率取決于發電機本身的結構和工作狀態，它不隨外接阻抗而改變，因此可以看成是恒壓源。正常設計的發電機，由于采用了許多消弱諧波電勢的措施，其電勢的諧波含量是很小的。

2）變壓器的諧波

變壓器激磁回路實質上是具有鐵心線圈的電路，若不計磁滯影響，當鐵心未飽和時，電路是線性，電壓和電流均為正弦波。當鐵心飽和后，它就是非線性的，飽和程度越深，波形畸變越嚴重，其產生的諧波電流包含在激磁電流中。

變壓器的激磁電流只含有奇次諧波，其中以3次諧波含量最大，可達額定電流的0.5％。激磁電流的諧波含量是與磁路的結構形式、變壓器的飽和程度相聯系的。正常時，電壓為額定電壓，鐵心工作點在線性范圍內，諧波含量不大。空載或輕載時電壓升高，鐵心工作進入飽和區，諧波含量會大大增加。

3）整流電路的諧波

常見的整流電路主要有兩種：阻感負載整流電路和帶濾波電容的整流電路。整流器件不是二極管就是晶閘管，電路結構以橋式為最多。阻感性負載整流電路長期以來應用最廣，有全控橋式、半控橋式，多相整流和直流側帶二極管整流等。

4.5 諧波的危害

   在現代工業企業和運輸部門中，非線性電力負荷在大量增加。隨著電力電子技術的發展，晶閘管換流和變頻技術得到廣泛的應用。例如：冶金、化工、礦山部門大量使用晶閘管整流電源；工業中大量使用變頻調速裝置；電氣化鐵路中采用交流單相整流供電的機車；高壓大容量直流輸電中的換流站；家用電器（電視機、電冰箱、空凋、電子節能燈）等等。煉鋼電弧爐的容量不斷擴大，單臺容量由過去兒噸發展到幾百噸，相應的電爐變壓器容量也由幾個兆伏·安發展到幾十甚至一二百兆伏·安。此外，工業中廣泛使用的電弧和接觸焊設備、礦熱爐、硅鐵爐、中頻爐等也均屬非線性電力負荷。

4.5.1 對電力設備的影響

1）對電容器的危害

當電網存在諧波時,投入電容器后其端電壓增大,通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器,允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器,允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍。如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負荷,損耗功率超過上述值,使電容器異常發熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時,可能使電網的諧波加劇,即產生諧波擴大現象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現尖項波形,尖頂電壓波易在介質中誘發局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強度大,對絕緣介質能起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。一般來說,電壓每升高10% ,電容器的壽命就會縮短1 /2左右。再者,在諧波嚴重的情況下,還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

2）對電力變壓器的危害

諧波使變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。由于以上兩方面的損耗增加,減少變壓器的實際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時,需要考慮電網中的諧波含量的影響。除此之外,諧波還導致變壓器噪聲增大,變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁滯伸縮引起的。隨著諧波次數的增加,振動頻率在1 kHz左右的成分使混雜噪聲增加,有時還發出金屬聲。

3）對電力電纜的危害

由于諧波次數高頻率上升,再加之電纜導體截面積越大集膚效應越明顯,從而導致導體的交流電阻增大,使得電纜的允許通過電流減小。另外,電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯,提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯,在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

4）對用電設備的危害

諧波對異步電動機的影響,主要是增加電動機的附加損耗,降低效率,嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場,形成與電動機旋轉方向相反的轉矩,起制動作用,從而減少電動機的出力。另外,電動機中的諧波電流,當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動,發出很大的噪聲。

5）對低壓開關設備的危害

對于配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱,同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。對于漏電斷路器來說,由于諧波泄漏電流的作用,可能使斷路器異常發熱,出現誤動作或不動作。

4.3.2 對繼電保護的影響

電力系統諧波會改變繼電保護設備的工作特性。由于不同類型繼電器的設計性能和工作原理不同,諧波的影響程度也不同。

1）諧波對于電磁型繼電器的影響不大,在諧波含量<40%時,其整定值誤差將≤10%。但是在動態情況下會有很大影響。對電流繼電器而言，諧波存在時,將引起保護拒動;對電壓繼電器而言,當含有諧波的畸變電壓作用于繼電器時,動作值總是比基波時的整定值要大,因而對過電壓繼電器可能會拒動,對欠電壓繼電器卻又可能會誤動。如在投切空載變壓器時會產生諧波含量很高的勵磁涌流, 高次諧波分量(主要是2 次諧波) 會造成繼電器誤動作而使斷路器跳閘。

 感應型繼電器的可動部分慣性較大, 動作速度慢, 諧波轉矩對其影響并不嚴重。

整流型繼電器的主要特點是將輸入交流量進行整流,或者將幾個輸入交流量組合后進行整流,繼電器的動作特性取決于整流后的電壓信號(或電流信號)及其動作判據，在某些情況下,如輸電線路發生接地短路時,由于電流中諧波分量比較大,會導致整流型保護裝置拒動。

靜態保護所采用的繼電器包括通稱的靜態繼電器和固態繼電器,主要由無機械運動的電子器件構成。由于在抗干擾和消除諧波影響方面具有較好的有效性, 靜態保護已日益受到人們的關注。對于按相位比較原理構成的保護裝置(如高頻相差保護和差動保護), 當波形出現諧波畸變時,過零檢測易于出錯,從而造成保護不正確動作。例如在相差保護中,短路時產生的直流分量與高次諧波分量疊加的結果,使半波比相器有輸出,從而導致保護誤動。

4．3．3對通信的干擾

   諧波通過電磁感應干擾通信。通常2000～5000Hz的諧波引起通訊噪聲，而 1000Hz以上的諧波導致電話回路信號的誤動。諧波干擾的強度取決于諧波電壓、電流、頻率的大小以及輸電線和通信線的距離、并架長度等。

4．3．4對電度計量及常用儀表指示的影響

研究證明，感應式電度表對高次諧波有負的頻率誤差，而電子式電度表的頻響特性一般較好。但由于諧波功率在諧波源負荷（如整流器）中和基波功率流向相反，“因此對這類用戶電度計量將偏小；反之，對于一般線性負荷，電度計量大體上等于基波和諧波電度之和。故諧波電度增加了這些用戶的電費支出。

在電網正常條件下，諧波含量不太大（電壓總畸變一般不大于 5％）時，各型常用儀表的指示，大致可以與儀表的精確等級相符。但在嚴重畸變（電流畸變率有時很大）時誤差將變大（一般針對平均值響應的儀表，隨著高頻成分增加，對同一有效值的指示會明顯下降）。舊式電磁系儀表頻率特性最差；電動系儀表頻率特性較好；而數字式測量儀表的指示一般具有精度高、頻帶寬、不受波形影響等優點。

4．3．5對電網損耗的影響

    諧波在電力系統和用戶電氣設備上要造成附加損耗。諧波功率本身可以說完全是損耗，從而增大了網損。研究指出，若諧波電壓和電流都控制在一般標準范圍時，則可估出非線性用戶注入電網的諧波功率和其用電負荷之比是在0.1％這個數量級，這和某些實測數據相符。但若諧波過大或發生諧振，則損耗將大大增加。若一個總負荷 5000 兆瓦的大電網，饋供各類非線性負荷共 1000 兆瓦，后者注入電網的諧波功率平均為0.2％，則總的諧波損耗平均為2兆瓦，年損失電量達 1752萬千瓦時。因此諧波對網損的影響不能忽視。

4．3．6諧振

電力系統中廣泛使用補償功率因數的電容器，同時設備和線路存在分布電容,它們與系統的感性部分（例如線路、變壓器的電抗）組合，在一定的頻率下，可能存在串聯或并聯的諧振條件。當系統中該次頻率的諧波足夠大時，就會造成危險的諧波過電壓或過電流。

通常把諧波源看成為恒定電流源。最常見的諧波諧振是在接有諧波源的母線上，因為母線上除諧波源外還有并聯電容器、電纜、供電變壓器及電動機等負載，而且這些設備處于經常變動中，容易構成諧振條件。最簡單的情況是當直接接于母線上電容器的容量為Qc，而母線的短路容量為Sk時，則產生并聯諧振的諧波次數h0可由下式近似決定：

   例如，當QC=0.1SK時，則可能發生接近于3次諧波的諧振。此時電容器和電網均將流過很大的3次諧波電流。該次諧波疊加在基波上就產生很高過電壓，可能導致設備損壞。