電力系統高次諧波分析

通過對電力系統高次諧波產生的原因及危害的研究分析，著重探討電力系統抑制諧波的措施。
關鍵詞：高次諧波；分析；抑制措施
0　前言
　　隨著電力電子技術的飛速發展，各種新型用電設備越來越多地問世和使用，高次諧波的影響越來越嚴重。電力系統受到諧波污染后，輕則影響系統的運行效率，重則損壞設備以至危害電力系統的安全運行。以前，電力系統考核電能質量的主要指標是電壓的幅值和頻率，現在世界各國都把電網電壓正諧波形畸變率極限值作為電能質量考核指標之一，正確認識諧波已成為電力工作者的重要任務之一。因此，研究和分析諧波產生的原因、危害和抑制諧波的措施具有重要的實際意義。
1　諧波產生的原因
　　在供電系統中諧波的發生主要是由兩大因素造成的：
　　（1）可控硅整流裝置和調壓裝置等的廣泛使用，晶閘管在大量家用電器中的普通采用以及各種非線性負荷的增加導致波形畸變。
　　（2）設備設計思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或裕量較大的設計。現在為了競爭，對電工設備傾向于采用在臨界情況下的設計。例如有些設計為了節省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區段，而在這些區段內運行會導致激磁材料波形嚴重畸變。圖1為三相六脈動整流裝置原理接線圖，此時交流側電流的傅里葉級數展開式為：

可見交流側電流含有諧波，諧波次數為（6K±1）次，各次諧波含有率為。
2　諧波對電力系統的危害
　　諧波對電力系統的污染日益嚴重，諧波源的注入使電網諧波電流、諧波電壓增加，其危害波及全網，對各種電氣設備都有不同程度的影響和危害。現將對具體設備的危害分析如下：
　　（1）交流發電機。同步電動機及感應電動機在定子繞組和轉子繞組產生附加熱損耗，熱損耗除諧波電流銅損I2nR以外，還由于電流的集膚效應，產生附加損耗，對轉子引起熱損耗增大。對大型汽輪發電機來說，若發生多次諧波振蕩，諧波電流超過額定電流的25％時，由于上述原因可能會導致轉子局部過熱而損壞。對變壓器來說，鐵芯產生熱損耗，尤其是渦流損耗大，在變壓器繞組中有諧波電流，在鐵芯中感應磁通，產生鐵損。
　　（2）架空線路諧波電流產生熱損，較大的高次諧波電流分量能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導致單相重合閘失敗。電纜中的諧波電流會產生熱損，使電纜介損、溫升增大。
　　（3）電力電容器由于諧波電流會引起附加絕緣介質損耗，加快電力電容器絕緣老化。系統諧波電壓或電流發生諧振則引起過電壓和過電流，對電氣設備絕緣損壞，引起噪音與振動。
　　（4）電子計算機會由于諧波干擾發生失真；工業電子設備功能會因其被破壞。
　　（5）對繼電保護、自動控制裝置和計算機產生干擾和造成誤動作，造成電能計量的誤差。
　　（6）諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線損外，還將對相鄰通訊線路產生干擾影響。
3　電力系統抑制諧波的措施
　　為了把諧波對電力系統的干擾（污染）限制在系統可以接受的范圍內，我國和國際上分別頒布了“電力系統諧波管理暫行規定”和IEC標準，明確了各種諧波源產生諧波的極限值。
　　電力系統抑制諧波的主要措施有：
??? （1）在補償電容器回路中串聯一組電抗器

　　如圖2，在未加Xc前，略去電阻，諧波源In母線處的諧波電壓為：Un＝Xsn?In；并聯了補償電容器后，則諧波源的輸入諧波電抗為：此時諧波電壓，注入系統的諧波電流Un,Isn>In.即并聯電容器使系統的諧波被放大了。如果對應某次諧波有Xsn-Xcn=0即發生諧波，則其諧波電流、電壓都趨于無窮大。為了擺脫這一諧振點，通常在電容器支路串接電抗器，其感抗值的選擇應使在可能產生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了產生諧波的可能性。
　　（2）裝設由電容、電感及電阻組成的單調諧濾波器和高通濾波器
　　單調諧濾波器是針對某個特定次數的諧波而設計的濾波器，高通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器。應裝設的濾波器類型、組數及其調諧頻率（濾波次數）可由具體計算決定。
　　如電力機車是大功率單相整流裝置，它有諧波問題，根據實測資料，韶山－1型機車電流的諧波含有率大致如表1，影響電力機車注入電力系統諧波電流的因素很多，如圖3所示，接觸網是影響因素之一，圖中Zsn為電力系統的諧波阻抗，供電臂全長為L，臂上只有一輛電力機車，位于離變電所l處。

　　設接觸網單位長度的n次諧波阻抗、導納分別為Zn、Yn，則其n次諧波特征阻抗Zcn和傳播常數γn
　　可見一般接觸網對機車諧波電流起到放大作用，當機車處于供電臂末端（l＝L時）放大作用最大。解決牽引機車的諧波問題，一般方法是在牽引變電所裝設3、5、7各次濾波器。近年新投運的部分電力機車改用車載分次濾波器的方式，濾除3、5次諧波效果很好。
??? （3）增加整流相數
　　高次諧波電流與整流相數密切相關，即相數增多，高次諧波的最低次數變高，則諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相，為了降低高次諧波電流，可以改用12相或36相。當采用12相整流時，高次諧波電流只約占全電流的1％，危害性大大降低。
　　（4）當兩臺以上整流變壓器由同一段母線供電時，可將整流變壓器一次側繞組分別交替接成Y型和△形，這就可使5次、7次諧波相互抵消，而只需考慮11次、13次諧波的影響，由于頻次高，波幅值小，所以危害性減小。
4　結論
　　（1）諧波的發生影響整個電力系統的環境，如在通訊中因發生諧波噪聲使通話質量下降，使控制和保護設備發生誤動作以及使電力裝置與系統過載，給電力系統正常運行造成危害。
　　（2）諧波的管理通常是制定用戶公共連接點處的電壓諧波含量限制標準，即制定有關標準，采取相應措施，嚴格控制，凈化電力系統環境。
　　（3）在測量諧波時必須注意PT與CT的精確度，否則造成誤差很大，用CT末屏分壓測取系統的諧波電壓具有準確、方便的優點。在超高壓系統諧波電壓測試中得到推廣運用.