电能质量谐波分析：

1、谐波

1.1 谐波标准

为了加强我国公用电网谐波的管理,我国公用电网谐波管理的国家标准, 1984年原水利电力部颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》,编号为SD126－1984。经过近十年的执行,我国电网在谐波管理上前进了一大步,1993年7月31日由国家技术监督局颁布了关于谐波方面的国家标准,即GB /T 14549－1993《电能质量公用电网谐波》,并于1994年3月1日实施。

GB /T 14549—1993规定了公用电网谐波的允许值、测试方法,适用于交流额定频率为50Hz,标准电压为110kV及以下的公用电网。标准电压为220kV的公用电网可参照110kV执行。该标准不适用于暂态现象和短时间谐波。

GB /T 14549－1993规定的公用电网谐波电压(相电压)限值如表1所示。

公用连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(均方根值)不应超过表2中规定的允许值。

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时,表2中的谐波电流允许值应经过一定的换算。换算公式为：

其中：

－公共连接点的各次谐波电流允许限值(A)

 －基准短路容量下的公共连接点各次谐波电流允许值(A)

Sr－实际短路容量(MVA)

Sj －基准短路容量(MVA)

1.2 谐波产生的原理

电网在正常情况下，电压U随时间t作周期变化，呈正弦规律，函数关系为：

其中，U、称为电压正谐波的三要素。这种正弦波形的基波周期函数在进行加、减、微分和积分运算时，其结果仍保持正弦周期函数的特点。

但由于非线性负荷的影响，使正弦波形发生畸变，其形状可用一系列与基波频率整数倍的不同频率的正弦波形叠加而成。这些为基波频率整数倍的高次频率波，统称为谐波或高次谐波。

非线性负荷及整流性负荷产生谐波的基本原理如下：

1）非线性负荷

交流电网中的谐波主要是由于非线性特性的负载引起的。正常情况下，供电电压为纯正弦量，若供电给线性的纯阻性负载R，则

因此，U、I同样具有正弦波形。

若纯正弦电压供给非线性的纯阻性负荷，即R=f(t)，这样，电阻将随时间在变化，则：

由于进行了调制，使得电流波形发生了畸变。

如果将非线性负荷的电流波形进行傅立叶分解，可得到一系列的波形与正弦波基波。

（2）整流性负荷

整流性负荷产生谐波的机理，主要基于一系列进行电能交换的装置是由半导体非线性元件组成的。这些半导体非线性元件可控（或不可控）地轮回导通和关断，尽管由于电感的存在使这一过程并未产生突变，但造成了交流电源电流回路的波形强行发生了变化，使得正弦波形产生畸变。

1.3谐波源

造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷，称为谐波源。谐波源可以分为电压源和电流源，一切非线性设备和负荷都是谐波源。

谐波源产生的谐波与其非线性特性有关，主要有：a.铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性，主要谐波为3、5、7次；b.电子开关型：主要为各种交直流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等，特征谐波与脉动数P有关;电弧型：如电炉，其谐波电流具有很大的随机性，主要谐波为2、3、4、5、7次。在电厂内，如变频调速装置、软起动装置、不间断电源系统、励磁系统、直流充电装置等，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。

由于系统施加于负荷的基本电压不变，谐波负荷通过向电力系统取得一定的电流作功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变。而谐波源固有的非线性伏－安特性决定了电流波形的畸变，使其产生的谐波电流与基波电流具有一定的比例，因此，非线性负荷一般都是谐波电流源，向系统注入一定的谐波电流。

谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统谐波阻抗，故谐波电流源在系统中一般按恒流源对待，谐波源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降，形成系统内部电压，使原有的正弦波形电压产生畸变。

1）发电机的谐波

发电机实际运行时，磁极磁场并非完全按正弦分布，所有感应电势也不完全是正弦波形，含有一定的谐波成分，因此发电机的输出电压本身就含有一定的谐波。发电机产生的谐波电压的幅值和频率取决于发电机本身的结构和工作状态，它不随外接阻抗而改变，因此可以看成是恒压源。正常设计的发电机，由于采用了许多消弱谐波电势的措施，其电势的谐波含量是很小的。

2）变压器的谐波

变压器激磁回路实质上是具有铁心线圈的电路，若不计磁滞影响，当铁心未饱和时，电路是线性，电压和电流均为正弦波。当铁心饱和后，它就是非线性的，饱和程度越深，波形畸变越严重，其产生的谐波电流包含在激磁电流中。

变压器的激磁电流只含有奇次谐波，其中以3次谐波含量最大，可达额定电流的0.5％。激磁电流的谐波含量是与磁路的结构形式、变压器的饱和程度相联系的。正常时，电压为额定电压，铁心工作点在线性范围内，谐波含量不大。空载或轻载时电压升高，铁心工作进入饱和区，谐波含量会大大增加。

3）整流电路的谐波

常见的整流电路主要有两种：阻感负载整流电路和带滤波电容的整流电路。整流器件不是二极管就是晶闸管，电路结构以桥式为最多。阻感性负载整流电路长期以来应用广泛，有全控桥式、半控桥式，多相整流和直流侧带二极管整流等。

1.4 谐波的危害

   在现代工业企业和运输部门中，非线性电力负荷在大量增加。随着电力电子技术的发展，晶闸管换流和变频技术得到广泛的应用。例如：冶金、化工、矿山部门大量使用晶闸管整流电源；工业中大量使用变频调速装置；电气化铁路中采用交流单相整流供电的机车；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器（电视机、电冰箱、空凋、电子节能灯）等等。炼钢电弧炉的容量不断扩大，单台容量由过去儿吨发展到几百吨，相应的电炉变压器容量也由几个兆伏·安发展到几十甚至一二百兆伏·安。此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、中频炉等也均属非线性电力负荷。

1.4.1 对电力设备的影响

1）对电容器的危害

当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器,允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器,允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍。如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。另外,谐波的存在往往使电压呈现尖项波形,尖顶电压波易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高10% ,电容器的寿命就会缩短1 /2左右。再者,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

2）对电力变压器的危害

谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。由于以上两方面的损耗增加,减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时,需要考虑电网中的谐波含量的影响。除此之外,谐波还导致变压器噪声增大,变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁滞伸缩引起的。随着谐波次数的增加,振

动频率在1 kHz左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属声。

3）对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小。另外,电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

4）对用电设备的危害

谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力。另外,电动机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动,发出很大的噪声。

5）对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多。对于漏电断路器来说,由于谐波泄漏电流的作用,可能使断路器异常发热,出现误动作或不动作。

1.4.2 对继电保护的影响

电力系统谐波会改变继电保护设备的工作特性。由于不同类型继电器的设计性能和工作原理不同,谐波的影响程度也不同。

1）谐波对于电磁型继电器的影响不大,在谐波含量<40%时,其整定值误差将≤10%。但是在动态情况下会有很大影响。对电流继电器而言，谐波存在时,将引起保护拒动;对电压继电器而言,当含有谐波的畸变电压作用于继电器时,动作值总是比基波时的整定值要大,因而对过电压继电器可能会拒动,对欠电压继电器却又可能会误动。如在投切空载变压器时会产生谐波含量很高的励磁涌流, 高次谐波分量(主要是2 次谐波) 会造成继电器误动作而使断路器跳闸。

　  感应型继电器的可动部分惯性较大, 动作速度慢, 谐波转矩对其影响并不严重。

整流型继电器的主要特点是将输入交流量进行整流,或者将几个输入交流量组合后进行整流,继电器的动作特性取决于整流后的电压信号(或电流信号)及其动作判据，在某些情况下,如输电线路发生接地短路时,由于电流中谐波分量比较大,会导致整流型保护装置拒动。

静态保护所采用的继电器包括通称的静态继电器和固态继电器,主要由无机械运动的电子器件构成。由于在抗干扰和消除谐波影响方面具有较好的有效性, 静态保护已日益受到人们的关注。对于按相位比较原理构成的保护装置(如高频相差保护和差动保护), 当波形出现谐波畸变时,过零检测易于出错,从而造成保护不正确动作。例如在相差保护中,短路时产生的直流分量与高次谐波分量叠加的结果,使半波比相器有输出,从而导致保护误动。

1.4.3对通信的干扰

   谐波通过电磁感应干扰通信。通常2000～5000Hz的谐波引起通讯噪声，而 1000Hz以上的谐波导致电话回路信号的误动。谐波干扰的强度取决于谐波电压、电流、频率的大小以及输电线和通信线的距离、并架长度等。

1.4.4对电度计量及常用仪表指示的影响

研究证明，感应式电度表对高次谐波有负的频率误差，而电子式电度表的频响特性一般较好。但由于谐波功率在谐波源负荷（如整流器）中和基波功率流向相反，“因此对这类用户电度计量将偏小；反之，对于一般线性负荷，电度计量大体上等于基波和谐波电度之和。故谐波电度增加了这些用户的电费支出。

在电网正常条件下，谐波含量不太大（电压总畸变一般不大于 5％）时，各型常用仪表的指示，大致可以与仪表的精确等级相符。但在严重畸变（电流畸变率有时很大）时误差将变大（一般针对平均值响应的仪表，随着高频成分增加，对同一有效值的指示会明显下降）。旧式电磁系仪表频率特性最差；电动系仪表频率特性较好；而数字式测量仪表的指示一般具有精度高、频带宽、不受波形影响等优点。

1.4.5对电网损耗的影响

    谐波在电力系统和用户电气设备上要造成附加损耗。谐波功率本身可以说完全是损耗，从而增大了网损。研究指出，若谐波电压和电流都控制在一般标准范围时，则可估出非线性用户注入电网的谐波功率和其用电负荷之比是在0.1％这

个数量级，这和某些实测数据相符。但若谐波过大或发生谐振，则损耗将大大增加。若一个总负荷 5000 兆瓦的大电网，馈供各类非线性负荷共 1000 兆瓦，后者注入电网的谐波功率平均为0.2％，则总的谐波损耗平均为2兆瓦，年损失电量达 1752万千瓦时。因此谐波对网损的影响不能忽视。

1.4.6谐振

电力系统中广泛使用补偿功率因数的电容器，同时设备和线路存在分布电容,它们与系统的感性部分（例如线路、变压器的电抗）组合，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当系统中该次频率的谐波足够大时，就会造成危险的谐波过电压或过电流。

通常把谐波源看成为恒定电流源。常见的谐波谐振是在接有谐波源的母线上，因为母线上除谐波源外还有并联电容器、电缆、供电变压器及电动机等负载，而且这些设备处于经常变动中，容易构成谐振条件。简单的情况是当直接接于母线上电容器的容量为Qc，而母线的短路容量为Sk时，则产生并联谐振的谐波次数h0可由下式近似决定：

例如，当QC=0.1SK时，则可能发生接近于3次谐波的谐振。此时电容器和电网均将流过很大的3次谐波电流。该次谐波叠加在基波上就产生很高过电压，可能导致设备损坏。