电力系统中谐波的危害与产生

电力系统中谐波的危害与产生 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。本文全面论述了电力系统中谐波的危害及产生情况，希望能引起我们的高度重视。 谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面： 1.对供配电线路的危害 （1）影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 （2）影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 2.对电力设备的危害 对电力电容器的危害 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，虽然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,但如果谐波含量较高,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，还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顶波形，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，对绝缘介质更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%，电容器的寿命就要缩短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。 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通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。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要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留出电网中的谐波含量。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致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。 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趋肤效应越明显，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。 对用电设备的危害 对电动机的危害 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。 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，由于导体的集肤次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。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 节电环保2008-1-22 14:59 回复此发言 2电力系统中谐波的危害与产生 对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 谐波对人体有影响 从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。 谐波的产生 总而言之，电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。 在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波。 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%20%，最大可达45%。 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。 中国电力网 2007年10月31日13:40 来源：点击直达中国电力社区广东电力东莞供电局叶柱辉随着工业的发展，客户的用电量不断增长，谐波的影响和危害也日益严重。1 谐波源电力系统中谐波源有以下几种：一是各种非线性用电设备，如换流设备、调压装置、电气化铁道、电弧炉、光灯、家用电器以及各种电子节能控制设备等是电力系统谐波的主要来源。这些设备即使供给它理想的正弦波电压，它取用的电流也是非线性的，即有谐波电流存在。这些设备产生的谐波电流也会注入电力系统，使系统各处电压产生谐波分量，这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，基本上与电力系统参数无关。二是供电系统本身存在的非线性，元件这些非线性元件主要有变压器励磁支路、交直流换流站的晶闸管控制元件、晶闸管控制的电容器、电抗器组等。三是家用电器，如荧光灯等的单个容量不大，但数量很多且分布于各处，又难以管理。如果这些设备的电流谐波含量过大，会对电力系统造成严重影响，此类设备的谐波含量，在制造时即应限制在一定的范围之内。2 电容器不能正常投入问题的分析通常将低压电容器组接到配变二次侧或0.4 kV母线上，以补偿变压器和负荷的无功损耗，由于无功自动补偿装置能够根据负荷的变化自动投切电容器组，使功率因数保持在0.9以上，且不过补偿，能够获得良好的补偿效果。但装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化，即可大可小，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振或导致该次谐波被放大。谐波电流一旦被电容器放大并迭加在电容的基波电流上，这将使流过电容器电流的有效值增加，电力电容器会由于谐波电流引起绝缘介质损耗加大、温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器损坏。此外，谐波电流放大引发的谐波电压增大一旦叠加在电容器的基波电压上，同样会使电容器承受电压有效值增大，并且电压峰值也会大大增加，造成电容器发生局部放电，这也是电容器损坏的一个主要原因。由于电容器对谐波电流的放大作用，它不仅危害电容器本身，而且会危及电网中的其它电气设备，严重时会造成电气设备损坏，甚至破坏电网的正常运行。因此，当谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，引起谐波电压与谐波电流的放大是影响电容器正常运行原因之一。 存在非线性负荷的客户要保证电容器的正常运行，必须要解决好电容器对谐波电流的放大问题，而解决问题的根本方式就是采取措施抑制谐波的产生。3 谐波对配网的危害谐波除了影响电容器正常运行之外，还会对以下设备造成危害：3.1 对变压器的影响谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及奇倍数谐波，对三角形连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成谐振，使变压器附加损耗增加。3.2 对配电线路的影响线路阻抗随着频率的升高而增加，谐波电流使线路的附加损耗增加，而供电电网的损耗大部分为变压器和线路的损耗，所以谐波是导致电网网损增加的一个重要因素。线路的分布电感和对地电容与产生谐波的设备组成串联或并联回路，在一定的参数条件下，会发生串联谐振或并联谐振，而且所产生的谐振过电压和过电流对相关设备的危害性较大。在适当的条件下还会形成谐波放大。而谐波电压、电流放大会引起继电保护装置误动甚至损坏。3.3 影响继电保护和自动装置的正确性谐波影响以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰(电气化铁道、电弧炉等)则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后果。系统中不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。3.4 影响计量装置的准确性电能计量装置按50Hz标准的正弦波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表（尤其是电子式电能表）的正常工作。有谐波源存在时，该处用户的电能表的记录应为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能，故谐波能使电能计量装置产生误差。4 谐波的治理GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波对电网各级电压谐波水平进行了量化限制，对用户注入公用电网的谐波电流也做了相应的规定。目前对谐波的危害没有引起足够的重视，往往认为谐波治理是电力部门的事情，是一种单边行为，这是一个很大的误区，作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传，强调谐波治理的重要性和必要性。在对谐波准确测量的基础上，提出适合用户的治理方案。这样做，不仅能够改善整个网络的电能质量，同时也能延长用户设备使用寿命，提高产品质量，降低电磁污染，减少能耗，提高电能利用率。谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波。谐波治理若干办法有：加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了规范，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措。主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波变化较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。认真做好业扩、报装接电的审查工作。抑制用电设备谐波分量的产生，新的非线形负荷接入电网前后要进行现场测试，检查谐波是否符合规定，对谐波超标的客户需落实好整改措施，按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，进行谐波治理。加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅要靠供电部门，还要调动电力供需中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。5 结束语谐波电压与谐波电流的放大是影响电容器正常运行原因之一，存在非线性负荷生产设备的客户要保证电容器的正常运行，要解决好电容器对谐波电流的放大问题，采取措施抑制谐波的产生，如加装消谐装置。另一方面，谐波治理需要供电部门和客户共同治理并想方设法提高抗谐波干扰的能力，只有这样供、用电双方齐心协力才能搞好谐波治理的工作。供电系统中的谐波是造成电网污染的主要原因。其污染范围包括电力系统本身和广大用户。特别是对电力设备的危害非常严重，主要表现为：过负荷、发热和过电压，干扰及破坏电子、通讯和保护控制等设备的性能或正常工作。1对电动机和发电机产生附加功率损耗和发热及噪声。对异步电动机，转子过热是电压畸变带来的主要问题，谐波损失也决定于电动机特性，电动机的漏抗随谐波频率呈线性增加。由谐波产生的磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转距，这些脉动转距造成更大的可闻噪声。可闻噪声是由于时间谐波频率不同而产生，但听不到的高频谐波会对可闻噪声起促进作用。2对无功补偿电容器谐波使系统和电容器引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。许多企业已经发生由于配电系统中谐波较大，因而造成无功补偿的电容器大批损坏和无法投入运行的现象。3对供电网和导线增加电网和导线损耗，当发生谐振和放大现象时损耗更加严重。谐波电流在导线上的发热比均方根电流造成的预期发热要高。三相四线的配电网向单相负荷供电时，在中性线上会造成不正常的大电流（3次谐波电流），使中性线过负荷。4对变压器负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了变压器带负荷能力。5对熔断器熔断器是由于发热而熔断的，因其本质上是均方根值过电流器件。一般使用的熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。6对断路器电流波形的畸变明显地影响断路器的断路容量，当负荷电流畸变时，在过零点时可能造成较高的di/dt，比电流为正弦时开断将更加困难，而且由于开断时间延长而贻误故障切除时间。7对精密医疗和电子设备谐波畸变的结果产生多个过零点问题，使电子线路混乱，影响精密医疗设备运行。在精密设备中许多电子系统采用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电，谐波畸变可提高或削平波峰值，使设备运行遭到破坏。另外电压陷波也会破坏精密设备和电子设备运行。8对继电保护和自动控制系统产生干扰和造成误动或拒动受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时，机电型继电器的时间延时特性会改变，地电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流，从而导致误跳闸。9通讯干扰谐波通过感性耦合干扰 线路。10对照明：电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根值由于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。11对其他用户影响产生谐波负荷的用户，从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源用户少付电费而受害的用户反要多付电费。总之谐波对电气设备、通讯设备及线路都会产生有害的影响，应加速治理。