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供电系统的谐波
一、谐波定义 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。 二、谐波源 向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。 各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为： …（正整数） 式中p为一个电网周期内脉冲触发次数（或称脉动次数）。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算*有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。对于p脉动的变流电路，假定直流侧电流为理想平滑，其网侧n次谐波电流与基波电流之比为： 式中为换流重叠角。，估算时可取。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。 当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。 变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（*多可达20%）进入电网。 三、谐波传输 对于多电压等级的电网，其谐波阻抗的特点是Zn（高压侧）Zn（低压侧）。谐波电流由低压侧流向高压侧，其大小基本上与高压侧参数无关，可视为恒流源。谐波电压由高压侧传输到低压侧，可视为恒压源。在进行谐波分析时，就是根据这个原则构造电网的谐波等效电路。 1.电网元件的频率特性 在谐波频率范围内，由于涡流和漏磁场的作用，电网元件的谐波参数要考虑长线效应，即变压器和导线的等效电阻R随频率的上升而增加，等效电感L随频率的上升而降低。电缆、导线和电容器的电容C基本不随频率变化而保持恒定。负载阻抗与频率的关系依负载的不同而异（见图1：负载有功电导频率关系图）。电机类负荷在简化分析时可只考虑其漏感。电机漏感Lsn的频率特性与变压器相似。 2.电网等效电路 电网可以由电网各元件的谐波参数Rn，Ln和Cn组成等效网络。三相对称电网的等效电路图通常采用单相表示（见图2：电网及其等效电路和阻抗矢量轨迹图）。根据等效电路计算各频率下的节点导纳矩阵Yn，求出阻抗Zn=，计算谐波电压Un=ZnIn。 电网在某些谐波频率下会发生并联谐振，导致谐波电流大幅度增加。 电网的并联谐振频率按下式计算： 式中 Sk为节点B的短路功率（MVA）； Sc为电网充电功率（包括并联电容器的功率，MVA）。 谐振回路品质因数Q的大小取决于谐振频率和电网的负荷率，负荷率下降，品质因数升高。低压电网的品质因数为2~3，高压公用电网为2~5，高压工业电网约为10。低压电网无并联电容器时，其谐振频率一般不在谐波范围内。 四、谐波限值 为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境（见图3：电磁相容性）。 我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用��网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值（见表1及表2）。 电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示： HRVn=（Un/U1）100% HRIn=（In/I1）100% 式中 Un、In为第n次谐波电压、电流有效值； U1、I1为基波电压、电流有效值。 表1 公用电网谐波电压（相电压）极限值 电网标称电压 kV 电压总谐波畸变率 % 各次谐波电压含有率 奇次 偶次 0.38 5.0 4.0 2.0 6（10） 4.0 3.2 1.6 35（66） 3.0 2.4 1.2 110 2.0 1.6 0.8 表2 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 电压 kV 基准短路 容量 MVA 谐波次数及谐波电流允许值（A） 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 11 12 9.7 18 8.6 16 7.8 6 100 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 6.1 6.8 5.3 1. 4.7 9.0 4.3 10 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9 3.7 4.1 32 6.0 2.8 5.4 2.6 35 250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 66 500 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 110 750 12 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 1.7 1.5 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 五、谐波危害 谐波增加电气设备的热损耗，干扰其功能甚至引发故障。另外谐波可对信息系统产生频率藕合干扰。 1.电动机 谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流I一起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5~10%，即 如果电动机不是按额定功率连续运行，可以允许短时超出上述限值。 2.电容器 谐波可使电容器过流发热。在畸变电压下电容器的电流有效值为： 有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流（Ic=CUn）。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。 3.电子装置 谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产生**影响。 4.通讯系统 在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。 六、谐波测量 测量谐波电流使用低感分流器（约L/R）和电子式电钳，测量谐波电压使用电阻分压器或电容式分压器。 谐波测量设备基于快速傅立叶分析原理，由模拟滤波器和模拟（数字）相关器或者计算机组成。 谐波阻抗测量是使用一个可控式电源向电网注入谐波频率电流，然后分别测量谐波电压的幅值和相位（见图4：谐波注入原理图）。 七、谐波抑制 将三相桥式电路的脉动数从6提高到12，可消除5，7次谐波。将多个谐波源接于同一段母线，利用谐波的相互补偿作用也可降低电网谐波含量。 当谐波量超出规程允许值或者电网在谐波范围内有谐振时，通常设置单调谐滤波器吸收特征谐波。对于13次及以上的谐波，可设置一个高通滤波器。滤波回路也会吸收电网原有谐波并可能性导致过负荷。一般通过调整失谐率，降低品质因数或者通过附加电子装置控制电流值来避免过负荷。 电容器可通过串联电抗器形成谐波阻塞回路，以防止电容器谐波过负荷。一般将串联谐振频率定在250Hz以下。
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