谐波简介——谐波对电力系统的影响

什么是谐波以及如何过滤和消除它。

(Manuel Bolotinha)

谐波简介

供电质量对于公用事业公司和用户来说都是一个重要问题，但供电质量可能会受到电磁干扰的影响 .

在这些干扰中它必须突出显示谐波这发生在所有电压水平 及其研究、可接受值的计算和修正方法 在IEC中定义 ^[1] 标准 61000-2-4： 电磁兼容性 (EMC) ^[2] - 环境 - 工业中的兼容性级别 低频传导干扰设备 .

什么是谐波？

交流发电机产生交流电压 (V ) 和电流（我 ) 具有正弦波形 和一个频率 (f ) 的 50 赫兹 或 60 赫兹 （这个频率，一次谐波 , 通常由工业频率指定或基础 )，可以在图 1 中观察到。

图 1 - 正弦交流电压

但是，由于某些设备特性 ，安装在网络中，电压和/或电流 不同的频率 , 奇整数倍 工频 , 可能在网络中被感应，谐波，一世。 e.:三次谐波 – 150 赫兹 或 180 赫兹; 5 次谐波 – 250 赫兹 或 300 赫兹; 7 次谐波 – 350 赫兹 或 420 赫兹;等等

我们可以说harmonics 是连续（稳态）干扰 或扭曲在电力网络上，是一个 完全不同的主题或问题 来自线路尖峰、浪涌、下降、脉冲等， 被归类为瞬态干扰 .

图 2 显示了 1 次谐波、3 次谐波和 5 次谐波的示例。

图 2 - 基波、3 次谐波和 5 次谐波

谐波的存在 扭曲的波 电压（或当前 ) 可以在图 3 中观察到，考虑到所有复杂的波形 可以分解成一系列不同频率的正弦波 ，因此任何复杂的波形 是总和多个谐波 更小或更大的价值 .

傅里叶级数 ^[3] 表示瞬时值 总和 – u(t) – 通过等式： 在哪里 ：

t 是时间 [s ]
ω =2πf [s^-1 ]
T 是周期 [s]
f0 是基频 [Hz ]
s(t) 是区间 [0, T] 内可积的周期函数

图 3 – 谐波失真

通常三次谐波 是最有害的 ，但在某些情况下，5 次和 7 次谐波 不容忽视 .

谐波失真

根据 IEC 标准 61000-2-4 谐波失真 由参数THD表征 – 总谐波失真 – 计算公式：

哪里Q1 表示 rms 值 电压或当前的 工业频率 和气谐波顺序 “ 我 ” (二次谐波 – i=2; 三次谐波 i=3;等）的电压或电流。

同一个IEC标准还定义了以下参数：

贸易发展中心 （总谐波含量 )，其中 rms 值 由以下等式计算：

哪里Q1 表示 rms 值 电压或当前的 工业频率 和问 有效值 电压或当前 .

TDR (总谐波比 ) – rms 值 之间的关系 TDC 和 rms 值 电压或当前的 工业频率 （第一季度 )，其计算公式如下：

通常计算的是电压 , 考虑最小三相短路功率 (S”K ) 和最大值 （在 Ω ) 短路阻抗 在 THD 的地方计算 (ZK; RK; XK ^[4] ); 特定软件 需要进行这些计算。

以上提到的IEC标准 定义3个类 电磁环境 ^[5] ：

第一类 ：此类适用于受保护的电源，其兼容性级别低于公共网络上的级别。它涉及对电源干扰非常敏感的设备的使用，例如实验室中的电气仪表、一些自动化和保护设备、一些计算机等。
2 类 :这个类一般适用于PCC ^[6] 和 IPC ^[7] 在工业和其他非公共电源的环境中。此类的兼容级别通常与公共网络的兼容级别相同。因此，为公共网络供电而设计的组件可用于此类工业环境。
第 3 类 :这个类只适用于IPC 在工业环境中。对于某些干扰现象，它的兼容性等级高于2类。例如，当满足以下任何条件时，应考虑此类： 负载的主要部分通过转换器馈电；有焊接机；大型电机频繁启动；负载变化很快。

谐波 兼容性 级别 ^[8] (呃 [%] ) 对于奇数频率 倍数 3 个如表 1 所示，对于奇数频率 不是倍数 3 个见表2。

表 1 – 3 的奇数频率倍数的谐波兼容性等级

表 2 – 3 的奇数频率倍数的谐波兼容性等级

兼容性级别 总谐波失真 每个类是：

1 级 - 5% .
第 2 类 – 8% .
第 3 类 - 10% .

谐波的来源和影响

谐波是电气设备和系统中永久问题的根源。

以下负载类型 （非线性载荷 ^[9] ) 是谐波的主要来源：

电力电子设备（例如：整流器——即用于电力牵引系统的设备 – 和静态转换器）。
电弧设备（例如：电弧炉、AC 或直流、弧焊机 )。
可饱和设备（例如：额定功率不够大的变压器吸收的空载电流波）。

尽量减少谐波生成 整流单元 最好是六脉冲 以及用于电力牵引系统的这些类型的单元通常产生电流谐波 第 5、7、17 和 19 阶 ，由二极管不平衡引起以及来自网络阻抗 .

虽然幅度较小 , 设备和网络正常工作条件下 ，必须考虑到共振风险 对于那些频率 .

切换操作 电容器组 和电源变压器 永久过载 也是一个重要的谐波源 .

电源变压器 对于电压 60 kV 以上 星-星连接 (年年 ) 同样是一个谐波源 .为了补偿这些谐波， 提到的电源变压器 必须有三次绕组，三角形连接 .

除了电压波形失真 , 谐波是错误操作的根源 控制和保护系统, 由于电磁干扰 ，增加趋肤效应 ^[10] ，引起机械振荡和振动 电机，即电力变压器和旋转电机，降低功率因数 (cos Φ )，导致绝缘材料过早老化 ，导致失去其介电特性 , 产地过热和损失增加 ，即电力变压器和电缆，并降低设备的使用寿命 .

谐波，这是电压波形失真的原因 , 在非线性负载中循环，比如马达 , 当受到可变磁通量 , 诱导循环电流 (傅科电流 ) 在导电材料中，什么减小扭矩 .

在不平衡系统 , 谐波可能会导致中性电流 更高比基频相电流的矢量和 ，导致中性线过载 .

皮肤效果 增加 导体电阻 因此焦耳效应引起的电压降和损耗 .这个问题特别敏感在架空线 电压 150 kV 以上 和一个长度 800 公里及以上 .解决此问题的常见解决方案是使用 DC 架空线 ，其中趋肤效果 不存在 .

机械振荡和振动 的旋转电机可能源于轴未对准 定子、转子和轴承的损坏 .

损失增加 在电力变压器中，发生在铁损 , 由于 傅科电流 和滞后 ^[11] , 与频率成正比 以及铜损 , 由于趋肤效应 .

谐波补偿和滤波器类型

当电容器组 用于功率因数校正 ，一个显着的谐波分量流入电容器组;在这些情况下有必要暂时关闭 电容器组 允许准确定位谐波源 .

在这样的装置中，它是至关重要的 验证是否存在谐波共振的风险 由特定电容器组谐波引起 .这是第一步 定义正确的解决方案 谐波补偿 .

一旦确认谐波的存在 以及 THD 值 超出限制 由 IEC 标准 61000-2-4 定义 和/或由公用事业公司建立 这是强制进行谐波补偿;要实施的解决方案取决于安装特性 .

最简单的方案，用在低压 (V ≤ 1 kV ) 装置，是使用铜线圈 （参见图 4）行动作为高频滤波器 , 限制整流器的启动电流 抑制相互干扰 .

图 4 – 谐波补偿电抗

电感（L ) 每相的计算公式如下：地点：

ΔVL 我 s 电抗的内部电压降 [% ]
Vn 是网络的相间电压 [V ]
fn 是网络的工业频率 [Hz ]
在是当前 [A ]

在网络和安装 严重的电气污染 （高次谐波水平 )，其中 Gh/Sn> 60% (Gh 是视在功率 所有非线性载荷 负责谐波产生 和 Sn 是视在功率 所有上游变压器 连接到连接负载的同一母线 ) 建议安装谐波滤波器 ，如图 5 所示）。