電能質(zhì)量概述講解（四）：公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)生原理、源、危害及諧振解析

4.1 諧波標(biāo)準(zhǔn)

為了加強(qiáng)我國(guó)公用電網(wǎng)諧波的管理,我國(guó)公用電網(wǎng)諧波管理的國(guó)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(hào)為SD126－1984。經(jīng)過(guò)近十年的執(zhí)行,我國(guó)電網(wǎng)在諧波管理上前進(jìn)了一大步,1993年7月31日由國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒布了關(guān)于諧波方面的國(guó)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(cè)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。

表1 諧波電壓限值

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

表2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

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(guò)一定的換算。換算公式為：

其中：

I h－公共連接點(diǎn)的各次諧波電流允許限值(A)

I GB －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)

4.2 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、ω、φ稱(chēng)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(chēng)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g(t)對(duì)sinωt 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(guò)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。

4.3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(chēng)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(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備等，特征諧波與脈動(dòng)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(dòng)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(kāi)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(guò)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(duì)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(chǎng)并非完全按正弦分布，所有感應(yīng)電勢(shì)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(shì)的措施，其電勢(shì)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?cè)絿?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(huì)大大增加。

3）整流電路的諧波

常見(jiàn)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(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)用最廣，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。

4.5 諧波的危害

   在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和運(yùn)輸部門(mén)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(mén)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(chē)；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(tái)容量由過(guò)去兒噸發(fā)展到幾百?lài)?，相?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。

4.5.1 對(duì)電力設(shè)備的影響

1）對(duì)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(guò)電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對(duì)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(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對(duì)于全膜電容器,允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)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(huì)使電容器過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷,損耗功率超過(guò)上述值,使電容器異常發(fā)熱,在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)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(duì)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(lái)說(shuō),電壓每升高10% ,電容器的壽命就會(huì)縮短1 /2左右。再者,在諧波嚴(yán)重的情況下,還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

2）對(duì)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(shuō)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(guò)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(duì)用電設(shè)備的危害

諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響,主要是增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗,降低效率,嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩,起制動(dòng)作用,從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。另外,電動(dòng)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(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),發(fā)出很大的噪聲。

5）對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害

對(duì)于配電用斷路器來(lái)說(shuō),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(duì)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(cè)峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。對(duì)于漏電斷路器來(lái)說(shuō),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(dòng)作或不動(dòng)作。

4.3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響

電力系統(tǒng)諧波會(huì)改變繼電保護(hù)設(shè)備的工作特性。由于不同類(lèi)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(duì)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(dòng)態(tài)情況下會(huì)有很大影響。對(duì)電流繼電器而言，諧波存在時(shí),將引起保護(hù)拒動(dòng);對(duì)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(dòng)作值總是比基波時(shí)的整定值要大,因而對(duì)過(guò)電壓繼電器可能會(huì)拒動(dòng),對(duì)欠電壓繼電器卻又可能會(huì)誤動(dòng)。如在投切空載變壓器時(shí)會(huì)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(huì)造成繼電器誤動(dòng)作而使斷路器跳閘。

 感應(yīng)型繼電器的可動(dòng)部分慣性較大, 動(dòng)作速度慢, 諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)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(dòng)作特性取決于整流后的電壓信號(hào)(或電流信號(hào))及其動(dòng)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(huì)導(dǎo)致整流型保護(hù)裝置拒動(dòng)。

靜態(tài)保護(hù)所采用的繼電器包括通稱(chēng)的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器,主要由無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)保護(hù)), 當(dāng)波形出現(xiàn)諧波畸變時(shí),過(guò)零檢測(cè)易于出錯(cuò),從而造成保護(hù)不正確動(dòng)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(dòng)。

4．3．3對(duì)通信的干擾

   諧波通過(guò)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(hào)的誤動(dòng)。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(zhǎng)度等。

4．3．4對(duì)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(duì)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(duì)這類(lèi)用戶(hù)電度計(jì)量將偏??；反之，對(duì)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(hù)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(jí)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(duì)平均值響應(yīng)的儀表，隨著高頻成分增加，對(duì)同一有效值的指示會(huì)明顯下降）。舊式電磁系儀表頻率特性最差；電動(dòng)系儀表頻率特性較好；而數(shù)字式測(cè)量?jī)x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)。

4．3．5對(duì)電網(wǎng)損耗的影響

    諧波在電力系統(tǒng)和用戶(hù)電氣設(shè)備上要造成附加損耗。諧波功率本身可以說(shuō)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(hù)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(jí)，這和某些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符。但若諧波過(guò)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(lèi)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(wàn)千瓦時(shí)。因此諧波對(duì)網(wǎng)損的影響不能忽視。

4．3．6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(huì)造成危險(xiǎn)的諧波過(guò)電壓或過(guò)電流。

通常把諧波源看成為恒定電流源。最常見(jiàn)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(dòng)機(jī)等負(fù)載，而且這些設(shè)備處于經(jīng)常變動(dòng)中，容易構(gòu)成諧振條件。最簡(jiǎn)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(guò)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(guò)電壓，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。