谐波对电气设备的影响及应对_谐波对电缆的影响

　　谐波是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变而产生。在理想的供电状态下，电流以及电压都呈现出正弦波的状态，但是在电流流过与其所加电压不呈线性关系的负荷过程中，就容易产生非正弦电流。一般这种非正弦电流所含有的频率是基础电流的整数倍，比如在基本电流的基频为50Hz的时候，二次谐波的频率就是基频的两倍，即100Hz，三次谐波则为基频的3倍，即150Hz。谐波由于与基本电流的频率不一，很容易对电力系统和电气设备内部造成损害。因此，从这个角度来看，文章探讨谐波对电气设备的影响，并且试图寻求相应的解决对策，具有非常重要的现实意义。
　　1 谐波的来源
　　电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。另外，各种非线性负荷用户也是电力系统谐波最主要来源，如可控硅整流和换流、电弧炉、中频炉以及电气拖动设备、各种低压电气设备、家用电器等，这些设备向电网吸取基波功率，同时也向电网注入谐波电流和谐波功率，谐波电流从低压侧馈入高压侧，注入电力系统，使系统各处电压含有谐波分量。由谐波引起的设备事故屡见不鲜，已成为污染公用电网和危害其它设备的“公害”。
　　2 谐波计算的一些基本公式
　　1）不同谐波源的迭加计算：
　　电网谐波电压和电流往往由多个谐波源产生，因而不同的谐波源的迭加计算是制定谐波的重要基础，当两个谐波源分别产生的不同谐波Ah及Bh之间的相位角θh确定时，其合成的同次谐波为：Ch=√AA2+BA2-2AhBhcosθh
　　对于两个谐波源的同次电流Ih1和Ih2在一条线路上的迭加，当相位角θh已知时，其迭加后的谐波电流Ih为：
　　但在实际的电网运行中，无论是谐波电流还是谐波电压的相位关系均有一定的随机性：电力系统潮流随机变化导致谐波源的基波电压相位角随机变化；谐波源工况变化导致基波功率因数角随机变化；谐波源负荷受各种随机因素的影响，导致谐波电流相位角的随机变化。根据研究结果，当基波电流相位角变化为正态分布，则其主要谐波电流相位角差角也呈正态分布。当相位角θh不确定时，谐波电流可按以下公式进行合成计算：
　　Kh系数按下表选取：
　　2）两个谐波源在同一节点上引起的同次谐波电压的迭加计算可应用下面公式：C2=A2B2AB,此公式会有误差，但作为谐波估算还是可行的。
　　3 谐波对于电气设备的影响
　　3.1 加速电气设备供电模块的老化
　　由于谐波的频率更高，这既使得正弦波变得更尖，容易造成电气设备的供电模块出现磁滞及涡流损耗增加，同时供电模块的绝缘材料也要承受更大的电应力，铜耗增加，温度骤升，噪声加大，大大缩短了电气设备的供电模块的使用寿命，从而降低电气设备的使用寿命。
　　3.2 导致电气设备无法正常工作
　　在一些三相供电的电气设备之中，基频状态下，三项系统中的每根相线接法的中点电压都有120°的相位移动，在每一个相位的负荷相等的时候，中性线的电流为零。如果出现了三项负荷不均衡，则只能够去掉均衡值之后的电流流入中性线，我们可以利用这一特点去掉中性线导线的一半容量。但是，由于谐波的频率更高，往往会导致无法正常抵消，中性线导线过热，从而导致电气设备无法正常工作。除此之外，一些对于供电质量要求很高，但是没有设置谐波过滤模块的电气设备，也可能因为供电质量下降而导致电气设备的无法正常工作。
　　3.3 导致电气设备的毁损
　　谐波的大量存在会使得电气设备的负荷加大，由于电气设备处于供电的经常变动之中，如果在一些特定的条件下构成了串联或者并联的谐振条件，在一定的频率之下，容易形成谐波振荡。谐波振荡的存在容易导致电气设备中的电机部分产生振荡力矩，有可能导致机械共振，造成电气设备的毁损。除此之外，谐波的存在还有可能使得电气设备自身的各项传感器的测量产生误差，比如无法正确的计量电压和电流，在谐波含有较高的电流的时候，一些电气设备自带的断路器的遮断能力无法正常发挥，容易发生短路，引发火灾，造成电气设备的毁损甚至更大的损失。当谐波电压较大时，其与系统电压叠加导致电容器两段电压升高从而导致过电压。过高的谐波电流流经电容器会导致电容器耐流不足，电容器容量衰减、鼓肚、击穿、烧毁、爆炸等。
　　4 谐波的治理方法
　　4.1 从供电源头加强治理
　　谐波的产生往往是在供电部分，为了减少谐波对电气设备的影响，解决的根本在于从供电源头加强治理。比如，可以对线性负荷以及非线性负荷从公共连接点开始分开供电，使得非线性负荷产生的谐波不会影响到线性负荷。除此之外，进行无功补偿也是从供电源头减少谐波影响的一个重要手段，它能够起到稳定受电端及电网的电压，提高供电质量的作用，减少谐波损害。
　　4.2 电气设备加强供电模块的设计
　　在电气设备端，则需要加强供电模块的设计，通过在供电模块之中加装无源滤波器，从而形成一个阻抗很低的谐振点，使其过滤掉谐波。无源谐波滤波器由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成，即所谓LC滤波器。它与谐波源并联，除了起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正常运行。这种方式是比较容易实现的，而且也能够确保电气设备在不同的工作环境之下，始终能够具备较强的谐波过滤能力，确保供电质量，使得电气设备在任何条件之下都能够稳定的进行工作。这种滤波器因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，应用较为广泛。在高压6KV-35KV的供电电网中，无源滤波器的使用有很好的滤波效果。但也存在一些问题，如当系统结构或参数发生变化或滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，而且这种滤波器对电压波动、负序等不能综合治理。
　　4.3 接入有源谐波滤除装置
　　有源谐波滤除装置是基于无源谐波滤除装置发展起来的，它是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的装置，它对幅值、频率都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿。它的原理是构建一个和系统的谐波同频率、同幅度但是相反相位的谐波电流，与系统中的谐波电流正好相互抵消，从而使电网电流只含基波分量消除谐波。有源谐波滤除装置能够对频率和幅值都变化的谐波做到适时补偿，不受电网阻抗的影响，滤波效果也能够得到保障。只是有源谐波滤除装置的成本相对较高，而且便携性较差，一般只适用于在计算机控制系统或者写字楼的供电系统之中应用。
　　4.4 采用新一代的节能、安全、环保型高新技术的电气设备
　　电气设备采用更好地消除谐波的先进产品。以变压器为例子：在提倡节约资源保护环境的今天，我国变压器的总损耗约占系统总发电量的10%，变压器作为输变电行业的耗能大户，它的节能降耗已迫在眉睫。近几年，城网农网的配网改造和高层建筑已开始推广使用立体卷铁心变压器，替代传统的叠铁心变压器和平面卷铁心变压器。立体卷铁心的特点之一：空载电流小，极大降低了无功损耗，改善供电品质；立体卷铁心结构完全对称，三相磁路平衡，无三次谐波产生；采用D，yn11接线，抑制高次谐波，改善供电波形。所以，采用更为新型先进、环保、安全可靠的电气设备，也能更好地消除谐波的影响。
　　4.5 行政上的措施
　　目前，供电部门正在考虑对用户的用电设备和负荷性质在送电前进行严格审查，对谐波源设备督促用户增加谐波滤波器设备，以净化供电环境，另外，供电部门也正计划出台一系列相关规定，对无功补偿达不到数值要求的用户进行处罚和强制整改，从技术上和行政措施上消除谐波的影响。
　　5 结语
　　随着社会经济的不断发展，电气设备在我们的生产生活中的应用也越来越多，产生谐波的电气设备在增加，谐波的传播也越来越严重。文章对谐波产生的机理进行了简单的介绍，并且着重分析了谐波对电气设备的各种危害，包括谐波容易造成电气设备供电模块的加速老化、影响电气设备使用甚至造成电气设备毁损等。在此基础上，文章主张从供电源头到用户的各个环节都做好谐波的治理，以减轻谐波对电气设备的损害。
　　参考文献：
　　[1]张飞、张建超、张天玉，高次谐波对电气设备的影响及其抑制分析[J].电气工程应用，2009（02）.
　　[2]杨福猛、袁晓斌、马鑫金、徐伦，电力系统谐波检测技术及DSP实现[J].安徽师范大学学报（自然科学版），2009（06）.
　　[3]李汉伟，谐波对电气系统的影响及其抑制方法[J].铁道勘测与设计，2008（03）.
　　[4]国际GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》.