諧波對用電設備的影響

一般情況下，電網中引起諧波的主要因素包括負載側的各種變流裝置、具有磁飽和特性的裝置以及非線性不平衡電路等，電源側的發電機的線槽間隙諧波、輸電線路電暈放電、係統的不對稱運行或不對稱故障等。在電力電子裝置廣泛應用以前，由於電力係統諧波未對生產和生活產生嚴重的影響和危害，因此隻把供電頻率和電壓幅值的穩定程度及其與額定值間的差異作為衡量電能質量的標難。

隨著電力電子技術的發展，供電係統中增加了大量的非線性負載，特彆是以開關方式工作的靜止變流器，從低壓小容量家用電器到高壓大容量的工業交、直流變換裝置都有著廣泛的應用，它是一種非線性時變拓撲負荷，不可避免地會產生非正弦波形，向電網注人諧波，已成為電網中的“公害”。供電係統中還有電弧爐、電焊機、變壓器、旋轉電機等其他非線性負載，都會在電網中產生不同頻率和幅值的諧波，甚至像電視機、熒光燈、電池充電器等裝置也會產生諧波，雖然單個裝置的容量不大，但由於數量很多，因此它們給供電係統注入的諧波分量也不容忽視。諧波不僅會消耗係統的無功功率儲備，其危害還主要表現在以下幾個方麵：

（1）電力電容器引起的諧波放大。由於電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占的比例不大，也會產生顯著的諧波電流。特彆是在發生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，從而導致電容器因過流而損壞。

（2）增加旋轉電機的損耗。諧波電壓或電流會在電機的定子繞組、轉子回路以及定子和轉子鐵心中引起附加損耗。由於渦流和集膚效應的關係，定子和轉子導體內的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。另外，諧波電流還會增大電機的噪聲和產生脈動轉矩。

（3）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。諧波電流一方麵在輸電線路上產生諧波壓降，另一方麵增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比於其幅值電壓的形式增強了介質的電場強度，這會影響電纜的使用壽命。據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60％。

（4）增加變壓器的損耗。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產生集膚效應和鄰近效應，在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應增加。另外，3的倍數次零序電流會在三角形接法的繞組內產生環流，這一額外的環流可能會使繞組電流超過額定值。對於帶不對稱負載的變壓器來說，如果負載電流中含有直流分量，會引起變壓器的磁路飽和，從而大大增加交流勵磁電流的諧波分量。

（5）造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。當有諧波畸變時，依靠采樣數據或過零工作的數字繼電器容易產生誤差。諧波對過電流、欠電壓、距離、頻率等繼電器均會起拒動和誤動的影響，保護裝置失靈和動作不穩定。零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護誤動作。

置失靈和動作不穩定。零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護誤動作。

（6）引起電力測量的誤差。測量儀表是在純正弦波情況下進行校驗的，如果供電的波形發生畸變，儀表則容易產生誤差。比如，感應式電能表對設計參數以外的頻率的響應不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負誤差，當頻率約為1000HZ時，電能表將停止轉動。

（7）乾擾通信係統。供電係統中的靜止變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衝電壓，該脈衝電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達到1MHZ，因而會引起電磁乾擾，對通信線路、通信設備會產生很大的影響。比如電力載波通信、遠動裝置信號以及與架空線平行的通信線路，諧波的影響都很大。

（8）延緩電弧熄滅。在超高壓長距離輸電線路上，較大的諧波電流會使電弧熄滅延緩，導致單相重合閘失敗，擴大事故。在消弧線圈接地係統中較大的諧波分量同樣會延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用。諧波分量還會使電流過零時的DI／DT值過大，導致斷路器斷弧困難，影響斷流能力。

（9）對其他設備的影響。諧波還會對下列設備產生影響：

1）導致功率開關器件控製裝置誤動作；

2）導致功率開關器件故障而損壞；

3）使日光燈的鎮流器及補償用電容器過熱和損壞；

4）對計算機產生乾擾；

5）影響互感器的測量精度；

6）使熔斷器在冇有超過整定值時就熔斷；

7）影響功率處理器的正常運行；

8）影響電視機的畫麵質量；

9）影響電子顯微鏡的清晰度；

10）影響其他換流設備或其他任何由電壓過零所控製的設備的同步。

以計算機技術和功率半導體製造技術為基礎和先導，開關器件功率處理能力和切換速度有了顯著提高，電力電子裝置的工業市場和應用領域正在不斷擴大。有資料分析，2000年一些發達國家50％以上負載通過電力電子裝置供電。在電價較高的國家，電力電子技術的應用市場可能會更大。有專家統計，我國目前電能的30％是經過各類功率變換後供用戶使用的。隨著功率變換裝置容量的不斷增大、使用數量的迅速上升和控製方式的多樣性等，電力電子裝置的潛在負作用將日益突出。同時，家用電器、精密儀器設備發展迅猛，越來越多的電氣用戶對取用的電能形態和功率流動的控製與處理提出了新的要求。這樣，越來越嚴重的諧波汙染與越來越高的電能質量要求形成了一對日趨尖銳的矛盾。

綜上所述，對電能質量已經不能僅用頻率和電壓這兩個指標來評價了，諧波已成為電能質量另一個重要指標。因此，無論是從保障電力係統的**、穩定、經濟運行的角度，還是從用戶用電設備的**、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限製在允許範圍之內，還電網一個潔淨的電氣環境，營造“綠色電網”，已經迫在眉睫。我國諧波治理的水平還比較低，對電力科技工作者來說，諧波治理問題的研究具有十分重大的理論和現實意義。