电网谐波的产生及抑制措施分析

摘要：研究分析谐波产生的原因，为抑制电力系统的谐波干扰提供好的检测方法，对提高电网运行质量、满足用户需求有着重要的实际意义。

关键词：电网谐波、电力电子、措施

随着电子工业技术的迅猛发展，各种电力电子装置在电力系统（铁磁性的电力变压器、电抗器等）、工业（电弧炼钢炉和电焊设备、电解设备等）、交通（电气化铁路）及家用电气设备等各种领域均得到广泛应用，电力系统中的非线性负荷明显增多，，由其产生的谐波和无功流入电网，致使电能的生产、传输和利用的效率降低，增大电网损耗，使电气设备过热，产生振动和噪声，并使设备绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。而且，谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱，对电力系统的安全稳定运行构成极大威胁。因此，研究分析谐波产生的原因，为抑制电力系统的谐波干扰提供好的检测方法，对提高电网运行质量、满足用户需求有着重要的实际意义。

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一、谐波产生的原因

在电力系统中，电压和电流波形理论上应是工频下的正弦波，但实际的波形总有不同的非正弦畸变。从数学的角度分析，任何周期波形都可以被展为傅里叶级数，因此，对于周期T=2∏／ω的非正弦电压u(t)或电流i(t),在满足狄里赫利条件下可以展开成以下形式的傅里叶级数。即：.

式中：clsin(ωt+θ1)为基波分量，cnsin(nωt+θn)为第n次谐波分量。可以看出，所谓谐波就是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率整数倍，因此通常又被称为高次谐波。

公用电网中的谐波产生原因主要和以下两方面有关：

1、电源本身以及输配电系统产生的谐波。由于发电机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等制造和结构上的原因，使得电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势，但由于其值很小，一般在分析电力系统谐波问题时可以忽略。在输配电系统中主要是变压器产生谐波，由于其铁心饱和时，磁化曲线呈非线性特征，相当于非线性器件，饱和程度越深波形畸变也就越严重，再加上设计时出于经济性考虑，使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流。电源和输配电系统虽然产生谐波，但这两方面产生的谐波所占的比例一般都很小。

2、电力系统负荷端大量的大功率换流设备和调压装置的广泛应用产生的谐波，如荧光灯、电弧炉、变频设备、家用电器等。这些用电设备具有非线性特征，即使供给的是标准的正弦波电压，也会产生谐波电流注入电网系统，给电网造成大量的谐波，甚至回因为参数配置问题使得局部区域产生放大，由用电设备产生的谐波所占比例很大，是电网主要的谐波源。

二、谐波对电力系统的危害

1、继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件

使得继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件可以列出以下7条：（1）在电气设备近距离内设置大的谐波源；（2）安装地点存在谐波严重放大或接近谐波谐振条件；（3）装置的动作整定值很小，例如接在差动电路、零序电路或负序电路上；（4）装置的元件或动作原理对谐波敏感（如采用晶体管继电器、半波比相判断的方式、依靠检出过零点等等。（5）谐波损伤了装置的某个部分（如使动作接点粘连导致误动）；（6）安装地点的短路容量太小（如海上油井平台上、自备机组成孤立网运行）；（7）尚有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生。其中第（1）和第（2）条之一是必须具备的。

2、高次谐波对各种类型继电保护的影响

（1）谐波对电磁型继电器的影响：①DL-11型电流继电器是常用的电流保护元件，在不同频率下其动作是反映通入电流有效值的平方，经试验，在不同频率下DL-11电流继电器其动作电流误差很小。显然，当继电器的电流含有谐波时，按基波整定的电磁型继电器在谐波作用下也能启动。②电磁型电压继电器的动作值与线圈匝数和阻抗分量有关；线圈匝数很多，阻抗分量很大，其阻抗看作为R+jωL。因对不同频率而言，ωL也不同，高次谐波使动作值增大的原因是线圈阻抗增大。当含有谐波的电压接入继电器时，动作值误差一般为正误差，低压继电器这时很容易动作。电磁型继电器的动作速度较慢，对定值误差也要求不高，在谐波含量小于10%时，谐波对其影响不太大，但是，在谐波含量很大并且各次谐波衰减又较慢的场合，电磁型继电器误动也会造成大的系统事故。

（2）谐波对整流型继电器的影响：整流型距离保护装置（如LH-21型）的振荡闭锁经常动作，产生这些现象的原因是利用负序滤波器将三相电流转变为单相电流（正比于负序电流），该滤波器由接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器构成，当系统电流中含有谐波，并且三相谐波并不相等也不对称时，负序滤波器就有很大的谐波输出，加之裂相回路对谐波的进一步放大作用，使整流出的直流脉动很大，因而使保护启动。

（3）谐波对计算机产生影响的可能途径有二：①电源供给系统；②计算机的模拟量输入回路。

当模拟量的输入回路含有谐波时，将影响计算机的正常工作，所以在测量和控制用的计算机系统均毫无例外地在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器，以

抑制谐波，增加有用信号与干扰信号之比。

（4）谐波对距离保护的影响距离保护装置中的测距元件，通常按线路的基波阻抗整定。在故障情况下，当有谐波电流时（特别是三次谐波），所测的阻抗相对于基波阻抗值可能会有相当大的误差。因而当故障电流流经高阻性的阻抗接地时，接地阻抗将是主要的。如果电流中谐波分量较大，应采取滤波措施，否则造成继电器误动的可能性很大。通过试验，谐波含量在5%以下，则谐波对继电器的影响不大。

3、抑制谐波畸变的措施分析

评价保护继电器性能时通常使用三个指标：灵敏度、选择性、速动性。导致这些性能恶化的主要原因之一，就是输入电流和电压的波形产生畸变。

（1）继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施

①采用按基波动作的回路。采用滤波器是将直流分量和高次谐波分量滤掉，剩下的基波分量在检测回路里进行检测。a.使用共振型电流互感器的带通滤波器。b.使用运算放大器的带通滤波器，由于它具有体积小和精确度高的优点，现在已广泛使用。

②使用限时回路。

③检测畸变波形的正负非对称性。

4、微机保护采用抑制谐波的措施

微机保护借助硬件（有源滤波器）和软件（数字滤波器），清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据，可进行高精度的各种保护运算。

数字滤波用软件实现，因此不受外界环境（如温度）的影响，可靠性高，具有高度的规范性。它不像模拟滤波器那样会因元件的差异而影响滤波效果，也不存在元件老化和负载阻抗匹配问题。另外，数字滤波器还具有高度的灵活性，当需要改变滤波器的性能时，只需重新编程即可。

（1）微机保护的基本构论文联盟WWW.LWLM.COM整理成微机保护从系统引入电流和电压二次，借助内装的中间变换器，将它们转换为适合于用电子回路进行处理的大小，接着用滤波器使输入电流和电压里的谐波分量和直流分量衰减，再在模数转换部分进行模/数转换。然后在数字运算处理部分用数字化的数据进行保护运算，最后向外部输出信号。

（2）数字信号的处理系统先把模拟信号变换为数字信号，然后用数字技术进行处理，最后再还原成模拟信号。

结语

抑制谐波的真实物理意义是将谐波具有的能量尽可能的用一个装置吸收，不让谐波进入系统或只有很少量的进入系统。最好在谐波源就地安装滤波装置，以减少谐波对电网的影响。

电网中应合理利用各站的补偿电容器组，采取适当串联5%~6%电抗器，选择重要变电站进行安装相控电抗型动态无功补偿装置（简称SVC），改善供电系统的稳定性，抑制系统过电压和改善其动态特性，抑制谐波、提高负荷的功率因素，快速无功调节，抑制电压闪变，解决电网负荷不对称等问题。

继电保护和自动装置应合理利用硬件滤波器和数字滤波软件，对进入电流互感器、电压互感器二次侧的谐波量进行滤波处理，来预防谐波的干扰使其稳定、可靠的运行。