淺談企業諧波治理

賈中明

[摘要]簡要分析企業諧波的來源及危害，提出治理諧波的初步建議及措施。

[關鍵詞]諧波 電網 整流 治理

中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720013－01

諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，通常也稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻（50HZ）相同的分量。當電網中的諧波電流較大時，我們稱之為電網污染。在電網被污染的情況下，所有電網中的設備與負荷均會受到影響。

一、企業諧波產生的原因

（一）電源自身諧波。諧波在電網誕生的同時就是存在的，因為由于制造工藝的問題，電樞表面的磁感應強度分布稍稍偏離正弦波，從而使產生的電流稍微偏離正弦，這部分諧波分量只有在多路供電時才對電網產生影響。電力變壓器由于其磁化曲線的非線性也產生少量諧波。

（二）非線性負載產生。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。變頻器、軟啟動器、穩壓電源、電子熒光燈等用電負載等都是非線性負載，是企業主要的諧波源。

1．隨著科技的進步與發展，晶閘管整流在不間斷電源、穩壓裝置、自動控制等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。就電力系統中的供電電壓來說，可以認為其波形基本上是正弦波，由于晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是周期性的非正弦波，根據任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量，在電網電流中含有大量的諧波。整流裝置產生的諧波是電網最大的諧波源。整流裝置從電源吸收高次諧波電流，電流在電源回路引起阻抗壓降，因此導致整個電網都含有高次諧波成分。

2．變頻器也是企業諧波污染的另一重要因素。變頻調速在企業應用較為廣泛，常用于風機、水泵、皮帶秤計量控制等設備中。變頻器是把工頻電變換成各種頻率的交流電，以實現電機的變速運行的設備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電轉換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出直流電壓進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。由于變頻器大量使用了非線性的晶閘管，對其供電電源就形成了一個典型的非線性負載。變頻裝置由于采用了相位控制，是以脈動的方式從電網吸收電流，脈動電流導致電網電壓畸變使其含有諧波成份。隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波污染也越來越嚴重。

3．軟啟動器也造成了諧波污染。大功率設備如風機、壓縮機的起停都采用了軟啟動器，因為軟啟動器采用三對反并聯的晶閘管實現交流調壓，由于晶閘管是典型的非線性器件，因此在使用過程中也會產生大量的諧波，對設備的穩定運行及電網造成了不良影響。

4．照明系統也產生諧波。目前企業廣泛使用的熒光燈、節能燈、氣體放電燈等都屬于非線性負載，在節能的同時也給電網帶來了大量的諧波。

二、諧波造成的危害

在諧波源設備集中使用的配電區域，諧波污染相當嚴重，電源功效明顯下降。諧波對電力系統設備和負載的影響，基本分為兩方面：（1）熱應力；（2）負載損壞。諧波會增加設備的損耗而加劇熱應力。電壓畸變而導致電壓峰值增大，可能導致電纜絕緣擊穿或設備損壞。

1．所有接于電網中的設備的損耗都會增加，溫升增加。諧波對電機的影響除引起附加損耗，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，導致電機轉矩降低，過熱甚至燒毀。

2．由于諧波的頻率較高，諧波源的諧波電流流入變壓器時增加了變壓器的銅損耗和鐵損耗，導致變壓器容量減小，同時隨著諧波頻率的增高電流集膚效應更加嚴重，鐵損耗也更大從而引起變壓器局部過熱，縮短使用壽命。

3．諧波能引起補償用電力電容器過熱、過壓，諧波電壓使電容器產生額外的功率損耗，并聯電容器其容抗隨著諧波頻率增大而減少，產生過電流，加速絕緣老化進程，增加絕緣擊穿故障。同時如果電容與電路的電感配合不當，容易在某個諧波頻率附近產生諧振，從而導致電網電壓進一步畸變。

4．諧波會影響互感器的計量精度。諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變為諧波發送到電網中去，因此電能表會將諧波能量當作發電來進行計算，從而導致計量誤差，增加企業的額外費用。

5．精密電子設備會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。整流器在換相期間電流波形發生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，因而會引起電磁干擾，對通信線路、通信設備會產生很大的影響。

6．由于繼電保護機構是根據工頻正弦波的變化規律作為動作激勵設計的，當波形畸變嚴重時各種保護裝置和自動控制裝置的動作都會受到影響，造成繼電保護裝置與自動控制裝置的誤動作或拒動作，影響企業的自動化生產。如果零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護裝置誤動作。

三、諧波治理的措施

電力消費的趨勢是高效率用電與高質量用電相接合。進行諧波治理，提高電力品質是第一位的，其次是節能。諧波治理是個綜合治理過程，一方面應從源頭抓起，加強設備的管理防止諧波的產生，更重要的一方面是提高認識，積極進行諧波治理，防止災害產生。目前國內一些企業已開始重視諧波的污染，取得了節能和提高電網品質的雙重效果。

解決電力電子裝置和其它諧波源污染問題的基本思路有兩條：一是裝設諧波補償裝置，即采用LC組成的無源調諧濾波器；二是對電力電子裝置本身進行改造，改進整流裝置，采用多相脈沖整流使其盡量不產生諧波，由于其電流電壓同相位，稱高功率因數整流器或高功率因數變流器。因為諧波補償裝置既可補償諧波，又可提高電網的功率因數，而且結構簡單，因此一直廣泛使用。其缺點是只能補償固定頻率的諧波，其補償特性也受電網感抗的制約，補償效果也不理想，但仍是補償諧波的主要手段。

目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。其基本原理是實時監測電網中電流，快速分離出諧波電流分量，發出控制指令，實時產生大小相等方向相反的補償電流注入電網中，實現瞬時濾除諧波電流。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波電流進行跟蹤補償，其運行不受系統的影響，也不會產生諧波放大，同時可補償無功功率，提高功率因數是一種較先進的諧波抑制技術。但由于其造價較高，只適用于小容量諧波補償。

四、結束語

隨著企業的技術改造及設備升級換代，非線性電力設備愈加廣泛應用，由此導致電力系統中諧波問題越來越嚴重，一方面造成了電力設備的損壞，加速絕緣老化，誘發火災等安全事故，另一方面也影響了計算機、可編程控制器等自動化控制設備正常工作，直接擾亂了人們正常的生產、生活。本著誰污染，誰治理的原則企業應加大投入，合理用電，抑制電網污染，使電網中其他用戶使用到清潔的電能，肩負起企業應擔負的社會責任。

參考文獻：

[1]王兆安、黃俊，電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]宋文南、劉寶仁，電力系統諧波分析[M].北京：水利電力出版社，1995.