电力系统的谐波
《电力系统的谐波》
电气工程与自动化
1.什么是谐波特性分类
2.含有谐波的电量的电气参数如何计算
3.衡量谐波含量的参数有哪些定义
4.电力系统常见的谐波源有哪些
5.谐波的危害是什么治理方法有哪些
理想的交流电压和交流电流波形应是单一频率的正弦波，而实际电力系统中由于负荷的非线性常会使电压和电流波形产生畸变而偏离正弦，出现各种谐波分量。谐波的含量是衡量电能质量的重要指标之一。
那么什么是谐波呢谐波(harmonic wave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。
奇次谐波:额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波；
偶次谐波:额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。
变频器主要产生5、7次谐波；
分量谐波:频率为基波非整数倍的分量称为间谐波，有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波,次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。
电气参数计算
有效值：
U=I=
u(t)=
i(t)=
==
I=A=
由于：
(m) I==
同理：
U==
谐波电压含量=
谐波电流含量=
电压总谐波畸变率×100%
电流总谐波畸变率×100%
第n次谐波电压含有率
第n次谐波电流含有率
含有谐波时电力系统的平均有功功率为
P=
含有谐波的视在功率S=
含有谐波时的功率因数cos==
与谐波有关的参数定义
1、阻抗
阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。
2、阻抗系数
阻抗系数是AF （载波）阻抗相对于50Hz （基波）阻抗的比率。
3、谐振
在配电系统里的设备，与它们存在的电容( 电缆，补偿电容器等) 和电感( 变压器，电抗线圈等) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是3 次的；它在全部导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。
4、谐振频率
每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。
5、并联谐振频率
网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量I L 和I C 大于总电流I 。
6、串联谐振频率
网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压U L 和U C 大于总电压U 。
7、串联谐振谐电路
由电感（电抗器）和电容（电容器）串联的电路。
8、无功功率
电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是Var 或kvar 。
9、无功功率补偿
供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电
设备上并联安装电容器。
电力系统中产生谐波的装置即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。随着大容量电力电子装置和各种非线性负载在系统中的广泛应用，其产生的谐波污染也越来越多的受到了人们的认识与关注。为了抑制系统的谐波，我们必须要了解各谐波源的特性。
1. 现有的系统谐波源就其非线性特性可大致分为三种：
（1）含有铁芯设备的各磁饱和装置，如变压器、电抗器等。这类谐波源在
电力电子装置大量应用前是主要谐波源。
（2）电弧焊、电弧炉这种强冲击的、非线性的负载。这类谐波源不仅可以
产生奇次谐波，还可以产生偶次谐波，频率范围也较大。
（3）各种电力电子换流装置。这类具有相当容量的非线性负荷是目前电力
系统中最主要的谐波源。
2. 谐波注入系统的方式不同谐波源分为：
（1）电流型谐波源。
系统谐波源具有电流源的特性，其谐波含量取决于本身的特性与系统参数无关，直流侧电感滤波的整流器属于电流型谐波源，如图1（a）。（2）电压型谐波源系统谐波源具有电压源的特性，如发电机、直流侧电容滤波的整流器属于电压型谐波源，如图1（b）。
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的其他设备产生干扰。
在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，
但那时谐波污染还没有引起足够的重视。
近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。
谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。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。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：1、加大企业的电力运行成本
由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。
2、降低了供电的可靠性
谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。
3、引发供电事故的发生
电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电事故的发生。
4、导致设备无法正常工作
对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。
5、引发恶性事故
继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是，由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。
6、导致线路短路
电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。
7、降低产品质量
由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动，使生产误差加大,降低产品的加工精度，降低产品质量。
8、影响通讯系统的正常工作
当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。
谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。
治理方法目前常用的谐波治理的方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。
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。
2、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器后，还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网，这也是谐波治理的一个基本方法。
3、安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法，多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
参考文献电气工程基础（第二版）上册陈慈萱；
电力系统分析（第三版）何仰赞温增银
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