机电工程论文发表浅谈电力谐波的产生与治理

　　摘要：近年来随着国民经济的快速发展和电力电子技术的广泛应用，冶金、化工、钢铁、轻工、矿业、交通和公共设施等部门的各种非线性干扰性负荷迅速增长，导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损和用电设备的损耗，降低了电能质量，造成供用电设备损坏供电中断的事故频发，其直接或者间接损失数以亿元计。为保证电气设备安全稳定运行，本文作者从设计的角度出发，分析了电力谐波产生的原因，提出了一些治理谐波的方法，同时也介绍了一些成功的治理经验，指导电力用户对整流设备的选择，也供同行及相关人士参考、指正。

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　　一、电力系统中谐波的来源

　　电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。

　　对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的励磁电流有交流分量，造成发电机的谐波分量有所上升。可控硅励磁它的励磁电流有交流分量是和发电机转速是同步的，而IGBT电子励磁装置的励磁电流有交流分量是固定频率的，和发电机转速不能同步。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时，由于电机的铁磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。供电行业要调整好配变的三相员荷基本平衡，否则会产生配变铁磁饱和，产生谐波电流。

　　为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

　　1、电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。

　　2、交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

　　3、交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

　　4、开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

　　这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：

　　电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性(如左图)。此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大。

　　交流整流直流用电设备的谐波产生的原因时由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零(如左图)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感)，从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。

　　交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有 高次谐波(如左图)。虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是目前推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。

　　开关电源设备目前应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

　　二、谐波治理的基本方法

　　目前谐波治理的基本方法有以下三种，在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则，应该采用非线性用电设备处分散治理。但对于电脑，彩电，节能灯等民用设备，则只能进行集中治理。

　　1、减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统阻抗，换句话说就是提高供电电压等级。例如，在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果，该钢厂原是用35kV供电，由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电，而它的主要用电设备是电弧炉，虽然进行了五次、七次谐波治理，但在110kV的35kV母线上测得谐波分量仍接近或稍超国家标准。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右，用5回35kV专线供电，使35kV母线的谐波分量控制在国家标准以内，此外该厂还使用了较大容量的同步发电机，使这些非线性负荷的电气距离大大下降，使该厂生产的谐波对电网的危害性下降，这种方法投资是最大的，往往需要和电网发展规划相协调。

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