電能質(zhì)量諧波分析：

1、諧波

1.1 諧波標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)我國公用電網(wǎng)諧波的管理,我國公用電網(wǎng)諧波管理的國家標(biāo)準(zhǔn), 1984年原水利電力部頒發(fā)了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》,編號為SD126－1984。經(jīng)過近十年的執(zhí)行,我國電網(wǎng)在諧波管理上前進(jìn)了一大步,1993年7月31日由國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了關(guān)于諧波方面的國家標(biāo)準(zhǔn),即GB /T 14549－1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,并于1994年3月1日實(shí)施。

GB /T 14549—1993規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值、測試方法,適用于交流額定頻率為50Hz,標(biāo)準(zhǔn)電壓為110kV及以下的公用電網(wǎng)。標(biāo)準(zhǔn)電壓為220kV的公用電網(wǎng)可參照110kV執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)不適用于暫態(tài)現(xiàn)象和短時(shí)間諧波。

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

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

當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí),表2中的諧波電流允許值應(yīng)經(jīng)過一定的換算。換算公式為：

其中：

－公共連接點(diǎn)的各次諧波電流允許限值(A)

 －基準(zhǔn)短路容量下的公共連接點(diǎn)各次諧波電流允許值(A)

Sr－實(shí)際短路容量(MVA)

Sj －基準(zhǔn)短路容量(MVA)

1.2 諧波產(chǎn)生的原理

電網(wǎng)在正常情況下，電壓U隨時(shí)間t作周期變化，呈正弦規(guī)律，函數(shù)關(guān)系為：

其中，U、稱為電壓正諧波的三要素。這種正弦波形的基波周期函數(shù)在進(jìn)行加、減、微分和積分運(yùn)算時(shí)，其結(jié)果仍保持正弦周期函數(shù)的特點(diǎn)。

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

非線性負(fù)荷及整流性負(fù)荷產(chǎn)生諧波的基本原理如下：

1）非線性負(fù)荷

交流電網(wǎng)中的諧波主要是由于非線性特性的負(fù)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(fù)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(fù)荷，即R=f(t)，這樣，電阻將隨時(shí)間在變化，則：

由于進(jìn)行了調(diào)制，使得電流波形發(fā)生了畸變。

如果將非線性負(fù)荷的電流波形進(jìn)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(fù)荷

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

1.3諧波源

造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備和負(fù)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(shè)備和負(fù)荷都是諧波源。

諧波源產(chǎn)生的諧波與其非線性特性有關(guān)，主要有：a.鐵磁飽和型：各種鐵心設(shè)備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性，主要諧波為3、5、7次；b.電子開關(guān)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(guān)設(shè)備等，特征諧波與脈動數(shù)P有關(guān);電弧型：如電爐，其諧波電流具有很大的隨機(jī)性，主要諧波為2、3、4、5、7次。在電廠內(nèi)，如變頻調(diào)速裝置、軟起動裝置、不間斷電源系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、直流充電裝置等，其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關(guān)切合和換向特性。

由于系統(tǒng)施加于負(fù)荷的基本電壓不變，諧波負(fù)荷通過向電力系統(tǒng)取得一定的電流作功，該電流不因系統(tǒng)外界條件和運(yùn)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(chǎn)生的諧波電流與基波電流具有一定的比例，因此，非線性負(fù)荷一般都是諧波電流源，向系統(tǒng)注入一定的諧波電流。

諧波電流源的諧波內(nèi)阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)諧波阻抗，故諧波電流源在系統(tǒng)中一般按恒流源對待，諧波源注入電力系統(tǒng)的諧波電流，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生相應(yīng)的諧波壓降，形成系統(tǒng)內(nèi)部電壓，使原有的正弦波形電壓產(chǎn)生畸變。

1）發(fā)電機(jī)的諧波

發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，磁極磁場并非完全按正弦分布，所有感應(yīng)電勢也不完全是正弦波形，含有一定的諧波成分，因此發(fā)電機(jī)的輸出電壓本身就含有一定的諧波。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波電壓的幅值和頻率取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)，它不隨外接阻抗而改變，因此可以看成是恒壓源。正常設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)，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(shí)質(zhì)上是具有鐵心線圈的電路，若不計(jì)磁滯影響，當(dāng)鐵心未飽和時(shí)，電路是線性，電壓和電流均為正弦波。當(dāng)鐵心飽和后，它就是非線性的，飽和程度越深，波形畸變越嚴(yán)重，其產(chǎn)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(dá)額定電流的0.5％。激磁電流的諧波含量是與磁路的結(jié)構(gòu)形式、變壓器的飽和程度相聯(lián)系的。正常時(shí)，電壓為額定電壓，鐵心工作點(diǎn)在線性范圍內(nèi)，諧波含量不大?？蛰d或輕載時(shí)電壓升高，鐵心工作進(jìn)入飽和區(qū)，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(fù)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(jié)構(gòu)以橋式為最多。阻感性負(fù)載整流電路長期以來應(yīng)用廣泛，有全控橋式、半控橋式，多相整流和直流側(cè)帶二極管整流等。

1.4 諧波的危害

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

1.4.1 對電力設(shè)備的影響

1）對電容器的危害

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí),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(fù)合介質(zhì)電容器,允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器,允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)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(fù)荷,損耗功率超過上述值,使電容器異常發(fā)熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí),可能使電網(wǎng)的諧波加劇,即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖項(xiàng)波形,尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強(qiáng)度大,對絕緣介質(zhì)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(yán)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(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)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(xiàn)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(shí)際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時(shí),需要考慮電網(wǎng)中的諧波含量的影響。除此之外,諧波還導(dǎo)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(shù)的增加,振

動頻率在1 kHz左右的成分使混雜噪聲增加,有時(shí)還發(fā)出金屬聲。

3）對電力電纜的危害

由于諧波次數(shù)高頻率上升,再加之電纜導(dǎo)體截面積越大集膚效應(yīng)越明顯,從而導(dǎo)致導(dǎo)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(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián),提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián),在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

4）對用電設(shè)備的危害

諧波對異步電動機(jī)的影響,主要是增加電動機(jī)的附加損耗,降低效率,嚴(yán)重時(shí)使電動機(jī)過熱。尤其是負(fù)序諧波在電動機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場,形成與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩,起制動作用,從而減少電動機(jī)的出力。另外,電動機(jī)中的諧波電流,當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會使電動機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動,發(fā)出很大的噪聲。

5）對低壓開關(guān)設(shè)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(fā)熱,同時(shí)由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)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(fā)熱,出現(xiàn)誤動作或不動作。

1.4.2 對繼電保護(hù)的影響

電力系統(tǒng)諧波會改變繼電保護(hù)設(shè)備的工作特性。由于不同類型繼電器的設(shè)計(jì)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(shí),其整定值誤差將≤10%。但是在動態(tài)情況下會有很大影響。對電流繼電器而言，諧波存在時(shí),將引起保護(hù)拒動;對電壓繼電器而言,當(dāng)含有諧波的畸變電壓作用于繼電器時(shí),動作值總是比基波時(shí)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(shí)會產(chǎn)生諧波含量很高的勵(lì)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(yīng)型繼電器的可動部分慣性較大, 動作速度慢, 諧波轉(zhuǎn)矩對其影響并不嚴(yán)重。

整流型繼電器的主要特點(diǎn)是將輸入交流量進(jìn)行整流,或者將幾個(gè)輸入交流量組合后進(jìn)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(jù)，在某些情況下,如輸電線路發(fā)生接地短路時(shí),由于電流中諧波分量比較大,會導(dǎo)致整流型保護(hù)裝置拒動。

靜態(tài)保護(hù)所采用的繼電器包括通稱的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器,主要由無機(jī)械運(yùn)動的電子器件構(gòu)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(tài)保護(hù)已日益受到人們的關(guān)注。對于按相位比較原理構(gòu)成的保護(hù)裝置(如高頻相差保護(hù)和差動保護(hù)), 當(dāng)波形出現(xiàn)諧波畸變時(shí),過零檢測易于出錯(cuò),從而造成保護(hù)不正確動作。例如在相差保護(hù)中,短路時(shí)產(chǎn)生的直流分量與高次諧波分量疊加的結(jié)果,使半波比相器有輸出,從而導(dǎo)致保護(hù)誤動。

1.4.3對通信的干擾

   諧波通過電磁感應(yīng)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(dǎo)致電話回路信號的誤動。諧波干擾的強(qiáng)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。

1.4.4對電度計(jì)量及常用儀表指示的影響

研究證明，感應(yīng)式電度表對高次諧波有負(fù)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(fù)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(jì)量將偏??；反之，對于一般線性負(fù)荷，電度計(jì)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(fèi)支出。

在電網(wǎng)正常條件下，諧波含量不太大（電壓總畸變一般不大于 5％）時(shí)，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(yán)重畸變（電流畸變率有時(shí)很大）時(shí)誤差將變大（一般針對平均值響應(yīng)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(shù)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(yōu)點(diǎn)。

1.4.5對電網(wǎng)損耗的影響

    諧波在電力系統(tǒng)和用戶電氣設(shè)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(wǎng)損。研究指出，若諧波電壓和電流都控制在一般標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，則可估出非線性用戶注入電網(wǎng)的諧波功率和其用電負(fù)荷之比是在0.1％這

個(gè)數(shù)量級，這和某些實(shí)測數(shù)據(jù)相符。但若諧波過大或發(fā)生諧振，則損耗將大大增加。若一個(gè)總負(fù)荷 5000 兆瓦的大電網(wǎng)，饋供各類非線性負(fù)荷共 1000 兆瓦，后者注入電網(wǎng)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(dá) 1752萬千瓦時(shí)。因此諧波對網(wǎng)損的影響不能忽視。

1.4.6諧振

電力系統(tǒng)中廣泛使用補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器，同時(shí)設(shè)備和線路存在分布電容,它們與系統(tǒng)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(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當(dāng)系統(tǒng)中該次頻率的諧波足夠大時(shí)，就會造成危險(xiǎn)的諧波過電壓或過電流。

通常把諧波源看成為恒定電流源。常見的諧波諧振是在接有諧波源的母線上，因?yàn)槟妇€上除諧波源外還有并聯(lián)電容器、電纜、供電變壓器及電動機(jī)等負(fù)載，而且這些設(shè)備處于經(jīng)常變動中，容易構(gòu)成諧振條件。簡單的情況是當(dāng)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(shí)，則產(chǎn)生并聯(lián)諧振的諧波次數(shù)h0可由下式近似決定：

例如，當(dāng)QC=0.1SK時(shí)，則可能發(fā)生接近于3次諧波的諧振。此時(shí)電容器和電網(wǎng)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(chǎn)生很高過電壓，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。