电力系统节能重点：谐波治理

电力系统节能重点：谐波治理

上海电信通信设备有限公司技术管理部 余静18916503563

摘要：节能降耗已经逐渐成为我国经济发展和战略发展的重点，目前看来，谐波和电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。本文就谐波的概念、产生以及治理预防进行探讨，从抑制谐波的角度提高电网的功率因素，达到节能降耗的目的。

关键词：电力系统 节能 谐波 谐波治理

一、 电力系统的节能

全球经济的发展导致对能源的极大需求，因此能源正逐渐成为关系各个国家经济发展和战略发展的命脉。在我国经济飞速发展的今天，能源问题已经高度影响国家发展的方方面面。因此，国家“十一五”的规划当中，将节能降耗作为我们国家的发展战略。十七大精神，提出加强能源资源节约和生态环境保护，坚持资源开发与节约并重，把节约放在首位。上海市政府《上海市节能减排工作实施方案》提出“十一五”期间节能下降到30%。

在通信电力行业中，同样也面临严峻的节能要求，针对不同的使用环境，应采取相对应的节能措施。通信系统电力室内的节能措施分几个方面：

变压器：转换能量效能较高的设备，但也存在空载损耗、负载损耗和热损耗。节能主要措施是降低上述损耗。谐波与这些损耗密切相关。

电力线路：线损是电力损耗的重要原因，低压尤甚。节能主要措施是治理电网谐波和低功率因数，从而减少线路电压损耗。

油机：高次谐波（7次，9次，11次??）电流直接反给发电机，在发电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。

断路器（开关）谐波电流会引起开关以外额外的温升，并使基波电流负载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。

计算机及部分电子设备，如可编程控制器（PLC），较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成运行中断，导致较大的经济损失。

以上分析可以看出，电力行业尤其是通信电力行业中节能的重点是谐波抑制，节能降损应从谐波治理开始。

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二、 谐波的概念、产生、危害及谐波管制标准

2.1 谐波的概念

谐波——“harmonic”一词起源于声学。18世纪开始，人们就开始研究谐波，19世纪傅里叶等人为谐波的数学分析奠定了良好的基础，他们提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代，随着高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。目前世界各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，将抑制谐波作为节能降耗的重要措施实施展开。

在理想状态下，电网中的电流和电压都是纯粹的正弦波。谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶分解，得到一系列不同频率的分量，其中大于基波频率的部分称为谐波，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数。当正弦基波电压施加于非线性设备时，产生的电流与施加的电压波形不同，电流发生了畸变，即产生了谐波。波形见图1。

图1谐波示意图

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（公式1）

如公式1所示，谐波频率是基波频率的k倍（k＝1，2，3……k为整数），例如，基波频率为50Hz，2次谐波为100Hz，3次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有2次谐波、3次谐波……可能直到第30次谐波组成。

2.2 谐波的产生

从电网的角度来说，在用电系统中，产生谐波的根本原因是由于具有非线性阻抗特性的用电设备(又称为非线性负荷) 用电的结果。非线性负荷会在工作时从电网取用非正弦电流，结果使其波形产生畸变。谐波电流流经电网阻抗，形成谐波电压，导致电源系统的电压波形畸变，使电能质量变坏。由于负荷与电网连接，谐波电流注入电网，这些设备就成为电网中的谐波源。电网中的谐波源主要分为两类：含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、变频器等节能和控制用电力电子设备；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器和铁磁谐振设备等。目前，一般民用电网中主要产生3次、5次谐波；而工矿企业中则以5次、7次、11次谐波为主。

2.3 谐波危害

从能量转换角度来说，电能是由其他能源转换产生，并转化为机械能、热能等形态。在电网中，电能是以电压电流的表现形式做功，用电设备在对负载进行有效做功（Po）的同时，也有一部分无效做功损耗，二者之和才称为是总的有功功率（P），另外，由于大多数电器设备为感性负载，使得电压电流的相位不同，存在功率矢量关系三角形

P

图2 功率矢量三角形

S

Q

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从功率矢量关系三角形可看出，实际上有功功率P总要小于设备的视在功率S，还有一部分为无功功率（Q），三者满足

S＝P+Q （公式2）

在含有谐波的实际电网中测量，我们发现视在功率S与有功功率P和无功功率Q之间的关系是：S>P+Q，余下的功率就是畸变功率C；这样，视在功率就成为三个功率向量之和，即：

S=P+Q+C （公式3） 通常，用功率因素cosΨ＝P/S来表示电能的数量关系，畸变功率具有无功功率的性质，因此，谐波电流的存在可看作无功功率的增加。它的存在会增加线路和变压器的铜损耗，并使电网的功率因数降低。实际电网的功率因素表示为

cosΨ＝P/(P+Q+C) （公式4） 根据以上的理论分析，我们可以看出谐波的危害主要是降低了电网的功率因素，增加了电力设施负荷。除此之外还包括以下几个方面：

(1)引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；

(2)产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；

(3)由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热; (4)增加绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命；

(5)零序谐波电流导致三相四线系统的中线过载，并在三角接法的变压器绕组内产生环流；

(6)引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；

(7)改变电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量； (8)使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差；

(9)干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。

2.4电力谐波管制标准

为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准。如关于公用电网谐波限制的IEEE 519-1992、GB/T 14549-1993，关于用电设备谐波电流排放限制的IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、GB/Z

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