1.1諧波概述

諧波術(shù)語(yǔ)的基本概念

諧波：（harmonic）對(duì)周期性的交流信號(hào)量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量。我國(guó)供電系統(tǒng)頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。

公共連接點(diǎn)：（PCC）用戶接入電網(wǎng)的連接處。

總諧波畸變率：（THD）周期性的交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。

諧波源（harmonic source）：向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備。

諧波對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的影響

增加輸電、供電和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過(guò)熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益，并給企業(yè)增加額外的電能損耗。

1.1.1 電力諧波對(duì)電力電容器的影響

當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器，雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍；對(duì)于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)的1.43倍，但如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，就會(huì)使電容器過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷，損耗功率超過(guò)上述值，使電容器異常發(fā)熱，絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電，且由于電壓變化率大，局部放電強(qiáng)度大，對(duì)絕緣介質(zhì)更能起到加速老化的作用，從而縮短電容器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō)，電壓每升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2左右。還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。

1.1.2 電力諧波對(duì)變壓器的影響 

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3 次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)按地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3 次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷的變壓器而言，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。諧波電流的增加會(huì)使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，輕則縮短變壓器的使用壽命，重則導(dǎo)致變壓器燒毀。 諧波對(duì)變壓器的最主要的影響是變壓器運(yùn)行溫度上升，研究表明，變壓器溫升每升高8度，壽命將減少50%。

1.1.3 對(duì)電力電纜的危害

由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的答應(yīng)通過(guò)電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，進(jìn)步功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

1.1.4 對(duì)供配電線路的危害

（1）影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行：產(chǎn)生繼電保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng)。

（2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量：如民用配電系統(tǒng)中的中性線，由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，其中3次諧波的含量較多，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會(huì)疊加，使中性線的電流值可能超過(guò)相線上的電流。另外，相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。

1.1.5 對(duì)用電設(shè)備的危害

（1）對(duì)于配電用斷路器和漏電電路器來(lái)說(shuō)，斷路器鐵耗增大而發(fā)熱，額定電流降低與脫扣電流降低，且諧波次數(shù)越高影響越大；可能因諧波產(chǎn)生誤動(dòng)作。

（2）對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通訊、有線電視、報(bào)警與樓宇自動(dòng)化等弱電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)則通過(guò)公共接地耦合，有大量不平衡電流流進(jìn)接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。

（3）影響電力計(jì)量的正確性：目前采用的電力計(jì)量?jī)x表中有磁電型和感應(yīng)型，它們受諧波的影響較大。特別是電能表（多采用感應(yīng)型），當(dāng)諧波較大時(shí)將產(chǎn)生計(jì)量混亂，丈量不正確。

1.1.6 電力諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害

電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作電壓為工頻下，長(zhǎng)期工作在諧波電壓畸變的環(huán)境下，將大大降低電機(jī)的使用壽命。諧波對(duì)異步電機(jī)的影響，諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能按發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來(lái)考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

1.1.7 對(duì)周邊設(shè)備的影響

（1）影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作可靠性

諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾（如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負(fù)序源）則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)（若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴(yán)重）、變電站主變的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

（2）對(duì)通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾

電力線路上流過(guò)的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合時(shí)，會(huì)在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會(huì)威脅著通信設(shè)備和人員的安全。

（3）對(duì)弱電設(shè)備的影響

電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過(guò)熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。

（4）影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性

由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz 的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費(fèi)；而與此同時(shí)，在線性負(fù)荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。電子式電能表更不利于供電部門(mén)而有利于非線性負(fù)荷用戶。

（5）干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過(guò)的3、5、7、11 等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度。

諧波已成為電網(wǎng)的一大公害、各類(lèi)設(shè)備的隱形殺手，同時(shí)諧波給企業(yè)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)越來(lái)越受到重視。

1.1.8 諧波對(duì)電能的損耗

供電電源電流按傅立葉級(jí)數(shù)分解可分為基波有功電流、基波無(wú)功電流、諧波有功電流和諧波無(wú)功電流，間諧波和次諧波電流含量相對(duì)較小。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中我們需要消耗的是基波的能量。大量的諧波會(huì)產(chǎn)生極大的額外的諧波功率，直接浪費(fèi)企業(yè)的電能。

諧波在電纜上的集膚效應(yīng)，導(dǎo)致電纜溫升巨大，電能未能直接成為有效的生產(chǎn)動(dòng)能，而是有電能直接轉(zhuǎn)化成為了電纜的熱效應(yīng)能量，產(chǎn)生巨大電能浪費(fèi)。長(zhǎng)期諧波環(huán)境下，將造成導(dǎo)線絕緣破壞對(duì)地放電等隱患。

變壓器由于諧波的影響所造成的鐵損、銅損等能量損耗，并且由于諧波引起的變壓器的噪音及發(fā)熱，使電能轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷崮芗奥曇舻哪芰坷速M(fèi)。

諧波的污染降低了用電利用率，將直接導(dǎo)致電費(fèi)的增加。抑制諧波將有效提高用電利用率，減少企業(yè)的直接電費(fèi)損失。

諧波治理合格后的意義以及所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)能增產(chǎn)提效：安裝諧波治理裝置后，有效的降低了諧波電流，增加了變壓器的有效容量，可增加相應(yīng)的帶載能力（或者：電費(fèi)不變，產(chǎn)量提高10-15%左右，節(jié)能增產(chǎn)提效）減少擴(kuò)容所需的投資。可有效的降低變壓器的損耗，提高變壓器的安全運(yùn)行系數(shù)，起到節(jié)能降耗的目的。減小流過(guò)配電線路的電流有效值，提高功率因數(shù)，消除流過(guò)配電線路的諧波，從而大大減小線路損耗，降低配電線纜的溫升，提高線路帶載能力。同等產(chǎn)值的情況下，可以節(jié)省不低于5%的電費(fèi)開(kāi)支。

（2）諧波的降低減少了變壓器銅損、雜散損耗和鐵損。大大降低了變壓器運(yùn)行溫度，提高了變壓器的運(yùn)行壽命。

（3）對(duì)于電力電纜，由于高頻率諧波的降低，減輕了電纜趨膚效應(yīng)問(wèn)題，使導(dǎo)體的交流電阻減小，提高了電纜的通流能力。另外，使電網(wǎng)發(fā)生諧振的幾率大大降低（電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，電容器裝置及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振）。

（4）對(duì)供配電線路：增強(qiáng)線路的穩(wěn)定運(yùn)行，由于諧波的降低，能夠大大增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。

（5）對(duì)用電設(shè)備

① 對(duì)于配電用斷路器來(lái)說(shuō)，諧波的治理，可以避免工廠配電短路因諧波產(chǎn)生的誤動(dòng)作，降低開(kāi)關(guān)柜內(nèi)斷路器的發(fā)熱量，增長(zhǎng)了開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行穩(wěn)定性以及壽命。

② 諧波的治理，可以避免對(duì)變頻器、數(shù)控設(shè)備以及自動(dòng)化設(shè)備造成干擾，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，降低損壞幾率。

③ 對(duì)于高低壓電力電子器件的變頻器設(shè)備，諧波的降低，能夠避免因?yàn)樽冾l器內(nèi)電感電容的諧振幾率，保證電子開(kāi)關(guān)器件開(kāi)斷精度，提高了變頻器設(shè)備的運(yùn)行可靠性，降低損壞幾率。

④ 諧波降低后，可以提高電力計(jì)量的正確性。

⑤提高了繼電保護(hù)、微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作可靠性。

⑥諧波的降低，可以避免現(xiàn)在的高壓空壓機(jī)振動(dòng)的問(wèn)題，提高了空壓機(jī)以及工廠電動(dòng)機(jī)設(shè)備的工作效率，增大了工作壽命。

（6）諧波治理將有效提高用電利用率，減少企業(yè)的直接電費(fèi)損失。

有效的濾波治理后，諧波電壓、諧波電流將降到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)合格范圍以內(nèi)，以上問(wèn)題可以得到大大改善，在一定程度上可以降低電費(fèi)損耗、增加設(shè)備生產(chǎn)效率，增長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行使用壽命，將給工廠帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。改善了電網(wǎng)電壓質(zhì)量以后，能夠解決污水廠,空壓機(jī)站因?yàn)橹C波問(wèn)題造成的振動(dòng)問(wèn)題，提高了設(shè)備運(yùn)行效率及壽命,避免了因?yàn)橹C波問(wèn)題造成的空壓機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)柜以及其他控制保護(hù)測(cè)量元器件的損壞問(wèn)題，每年能給工廠節(jié)省可觀的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用；諧波降低后，會(huì)使設(shè)備電動(dòng)機(jī)的效率得到顯著提高，提高了設(shè)備生產(chǎn)效率，對(duì)于增大生產(chǎn)產(chǎn)值所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益會(huì)更加顯著。

1.2量測(cè)目的

針對(duì)密煉機(jī)變壓器系統(tǒng)電能質(zhì)量不理想，分別在相應(yīng)變壓器下對(duì)儀器量測(cè)所獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋求最佳解決方案。

1.3量測(cè)儀器

美國(guó)Fluke公司的F1760電能質(zhì)量測(cè)試儀。此設(shè)備用于監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，可以在線連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間量測(cè)電壓、電流的諧波，三相不平衡，閃變，暫態(tài)過(guò)程，波形變動(dòng)，頻率變化等，可同時(shí)記錄八個(gè)信號(hào)輸入。

設(shè)備技術(shù)參數(shù)：

-電壓精確度: 0.15%

-電流精確度: 0.5%

-采樣頻率: 1kHz~64kHz

-脈沖采樣頻率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7標(biāo)準(zhǔn)-A等級(jí)

-脈沖采樣頻率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7標(biāo)

2.量測(cè)說(shuō)明

2.1. 電力系統(tǒng)及量測(cè)位置

圖1：電力系統(tǒng)及量測(cè)位置圖

2.1. 負(fù)載設(shè)備說(shuō)明

密煉機(jī)變壓器系統(tǒng)的負(fù)載主要為密煉機(jī)設(shè)備，此類(lèi)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中無(wú)功需求量比較大，并會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。該密煉機(jī)變壓器系統(tǒng)低壓側(cè)沒(méi)有使用電容器做無(wú)功補(bǔ)償，密煉機(jī)為直流型密煉機(jī)，分主、從電機(jī)兩個(gè)回路，主、從電機(jī)功率均為1250kW。

2.2. 量測(cè)期間負(fù)載運(yùn)行狀況

量測(cè)期間該變壓器系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行周期正常。

2.3. 量測(cè)內(nèi)容

在Test Point 1、2（變壓器的低壓側(cè)）位置使用電能質(zhì)量測(cè)試儀進(jìn)行不間斷量測(cè)，獲得系統(tǒng)的電流電壓波形、功率、諧波等詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3.量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)1—主動(dòng)機(jī)）

2. 

3. 

4. 

3.1量測(cè)期間趨勢(shì)圖量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)1）

3.1.1系統(tǒng)電壓、電流瞬時(shí)波形圖

圖2：系統(tǒng)電壓、電流瞬時(shí)波形圖

3.2量測(cè)期間趨勢(shì)圖量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)1）

3.2.1量測(cè)期間基波電壓(相電壓)趨勢(shì)

圖3：量測(cè)期間基波電壓趨勢(shì)圖

3.2.2量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)

圖4：量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)圖

3.2.3量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)

圖5：量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)圖

3.2.4量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)

圖6：量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)圖

3.2.5量測(cè)期間11次諧波電流趨勢(shì)

圖7：量測(cè)期間11次諧波電流趨勢(shì)圖

3.2.6量測(cè)期間無(wú)功功率趨勢(shì)

圖8：量測(cè)期間無(wú)功功率趨勢(shì)圖

3.2.9測(cè)量期間功率因數(shù)趨勢(shì)

 圖9：量測(cè)期間功率因數(shù)趨勢(shì)圖

3.3各階次諧波頻譜圖量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)1）

3.3.1系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜

圖10：系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖

3.3.2系統(tǒng)諧波電流頻譜

圖11：系統(tǒng)諧波電流頻譜圖

4量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)2—從動(dòng)機(jī)）

4.1.1系統(tǒng)電壓、電流瞬時(shí)波形圖

圖12：系統(tǒng)電壓、電流瞬時(shí)波形圖 

4.2量測(cè)期間趨勢(shì)圖量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)2）

4.2.1量測(cè)期間基波電壓(相電壓)趨勢(shì)

圖13：量測(cè)期間基波電壓趨勢(shì)圖

4.2.2量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)

圖14：量測(cè)期間基波電流趨勢(shì)圖

4.2.3量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)

圖15：量測(cè)期間總諧波電壓畸變率趨勢(shì)圖

4.2.4量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)

圖16：量測(cè)期間總諧波電流趨勢(shì)圖

4.2.5量測(cè)期間11次諧波電流趨勢(shì)

圖17：量測(cè)期間11次諧波電流趨勢(shì)圖

4.2.6量測(cè)期間無(wú)功功率趨勢(shì)

 圖18：量測(cè)期間無(wú)功功率趨勢(shì)圖（L3接線有點(diǎn)問(wèn)題，可能接反）

4.2.7測(cè)量期間功率因數(shù)趨勢(shì)

 圖19：量測(cè)期間功率因數(shù)趨勢(shì)圖

4.3各階次諧波頻譜圖量測(cè)結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)2）

4.3.1系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜

圖20：系統(tǒng)諧波電壓畸變率頻譜圖

4.3.2系統(tǒng)諧波電流頻譜

圖21：系統(tǒng)諧波電流頻譜圖

5.分析與總結(jié)

5.1測(cè)試數(shù)據(jù)總結(jié)

5.2治理方案

根據(jù)以上電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題主要為諧波和無(wú)功，變壓器的諧波含量基本上全部來(lái)自于密煉機(jī)和晶閘管整流設(shè)備，采用集中治理方案比較合適，即在低壓總進(jìn)線處加裝有源濾波裝置及無(wú)功補(bǔ)償裝置，建議采用APF和SVG設(shè)備進(jìn)行治理，考慮到系統(tǒng)中存在晶閘管整流設(shè)備，導(dǎo)致瞬時(shí)電壓突變較大，需要額外配置RC濾波組件使用以保障APF/SVG設(shè)備正常運(yùn)行。

注：按照計(jì)算出的諧波和無(wú)功含量，按照1.25倍選擇設(shè)備，防止設(shè)備長(zhǎng)期滿載運(yùn)行影響性能。

論文作者：張文標(biāo)、盧金洪、何維榕、王曉稷、林景來(lái)