国防工程电力系统谐波分析及抑制方法

梁建辉 火箭军士官学校 山东青州 262500

0 引言

国防工程中由于各种大功率开关器件的大量应用到各种电源装置和电动机调速中，为设备运行提供了高效、节能的控制手段，但是，利用开关动作对电能进行有效变换的同时，装置本身产生了无功电流和高次谐波，对供电系统产生了很大的危害。一是容易使电气测量仪表计量出现偏差，并导致继电保护和自动装置误动作，甚至造成跳闸事故。二是能直接造成用户电气设备故障。当电网中3 次、5 次或7次谐波电压含有率达到10%~20% 时，电动机将在短期内损坏。另外，在变压器低压侧装设的电容器补偿装置，其对高次谐波电流具有放大作用，使电容补偿柜在谐波的作用下温升过高、电流过大，以致无法正常运行。三是容易使供电系统与用于补偿无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化。据统计，由于谐波问题引起的电容故障占电容器总故障的71%~83%。

1 谐波来源

当前国防工程中的非线性负载是谐波电流的主要来源。由于系统阻抗的原因，负载也产生电压谐波。因此，非线性负载被认为是电流和电压谐波的产生源头。这些谐波源可以总结为以下三个主要部分。

1.1 调速系统

调速系统主要组成部分是电源，变频器，控制回路加上感应电机。作为一个非线性负载，变速驱动系统输出非正旋电流，富含谐波。这些谐波流入提供电能的电力系统，使配电设备（如变压器）过载，并且和功率因数调节电容发生共振和其他问题。

1.2 饱和设备

由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。虽然在通常的电压下，变压器励磁电流富含谐波，但是它基本低于满载电流的百分之一。一般不像电力变频器和电弧设施那样影响明显。

1.3 电弧设备

这些电弧设施包括电弧炉，电弧焊机。电弧有一个基本的带阻抗钳型序列电压来限制电流到一个共振值。电弧的电压和电流都是非线性的。随着电弧点燃，电压随着电流的增加而降低，只是通过电力系统中的阻抗来限制。电弧本身就是谐波电压源的典型代表。如果探头直接穿过电弧，就会出现某种程度的梯形波。它的幅值在电弧中起到很大的作用。但是，电弧炉的阻抗起到了缓冲作用，电源电压只是适度失真。因此，电弧负载成为一个相对稳定的谐波电流源。当系统接近谐振时这种情况消失。电弧炉负载和其他电弧设施的谐波成分跟电感镇流器相似。

2 谐波对设备运行的影响

谐波对电力系统中的设备的有害影响，大部分时间是由于故障出现才被意识到。洞察谐波如何影响电力系统和其中的元件对预防故障是非常重要的。

2.1 对变压器的影响

谐波可以从两方面影响变压器。由于更高频率的谐波电压建立滞后环，它叠加在基础环上，电压谐波在变压器铁心中将产生额外的损失。每个环代表更高的磁能需求和铁芯损耗。第二个更严重的影响是在变压器绕组中的谐波电流，它产生额外的损失，绕组涡流损失也同时增加。由谐波引起的涡流电流能显著增加变压器绕组温度，所以必须降低变压器携带的谐波。

2.2 对电容器组的影响

当大量的电压和电流谐波存在时，它们会经常过电压工作，导致故障。因为电容器组的电抗是和频率成反比例的，电容器组能吸收零散的谐波电流，导致过载和故障。谐波共振是潜在的严重情况。如果在电力系统中出现谐波共振，电容器组合其他电力元件都可能损坏。

2.3 对电缆的影响

电流流过电缆产生功率损失。当负载电流含有谐波成分，额外的损失就产生了。肌肤效应导致电缆的阻抗随着频率的增加而增加。肌肤效应是因为不相等的磁通穿过导体的横截面，导致交流电流只在导体的外部边缘流动。电流频率越高，电流拥挤在导体外部边缘的趋势越大，该频率下的有效电阻影响越大。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命。据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。

2.4 对保护装置的影响

谐波电流影响保护装置的正常运行。在非线性电流下，保险丝和电机热过载装置容易引起误动作。这个因素在谐波运行环境中应该给与慎重考虑。继电器也受谐波影响。在谐波环境中，继电器可能动作得比设计的快或者慢，在继电器的应用中要优先考虑。

3 谐波抑制方法

3.1 调整非线性负载在供电系统中容量占比

在设计时为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计工程供电系统时，可给予较大贮备量，一般选取0.5～1倍余量。若系统容量已经确定，实践中的有效方法就是限制非线性负载的容量在变压器容量的30%以内。

3.2 相对于负载的电源阻抗

通过非线性负载产生的谐波电流可以通过电源的阻抗向其它设备传播。作为负载源，一个典型的变速驱动系统在满载状态下，总的电流谐波畸变可能高到50% ～100 % 。如果把电源阻抗设计到负载阻抗的2%至5% ，总电流谐波畸变可以降到低于40% 。

4 结论

谐波是电力系统传输电能量的重要分量，准确理解供电系统中谐波含量和抑制谐波方法，对保证用电设备运行和保障供电安全具有重要的现实意义。作为国防工程供电系统维护人员，有必要在谐波抑制和电压扰动方面进行理论研究和实践，运用当前国内外已有的可研技术成果，去消除电网的谐波危害，将电力系统谐波危害降至最低，保证国防工程用电设备的安全可靠运行。