在理想电力系统中，供电电压和电流波形应遵循什么规律

电力系统谐波的危害与抑制方法

一、谐波的基本概念

在理想电力系统中，供电电压和电流波形应遵循标准的正弦波规律，其频率保持固定且稳定。然而，在实际电力运行环境中，由于众多非线性设备的接入，电流和电压波形会产生畸变，不再呈现纯粹的正弦形态。这种现象导致除了原有的基波(通常为50Hz或60Hz)外，还产生了一系列频率为基波整数倍的正弦波分量。这些额外的正弦波分量，即被称为电谐波。例如，在一个频率为50Hz的基波系统中，可能伴随出现的谐波频率包括100Hz(二次谐波)、150Hz(三次谐波)、200Hz(四次谐波)等。这些谐波与基波相互叠加，共同形成了畸变的电流和电压波形，进而影响了电能的质量。

二、谐波的危害

(一)对电力设备的危害

谐波对电力设备的影响是多方面的。首先，它可能导致电力设备过热，缩短其使用寿命。例如，谐波电流会使变压器的铜损和铁损明显增加。由于谐波电流在变压器绕组中流动，会产生额外的热量，使变压器的工作温度升高。在存在大量3次谐波的情况下，变压器的绕组损耗可能会比正常情况高出20% - 30%。长期的过热会加速变压器绝缘材料的老化，缩短变压器的使用寿命。类似地，电动机在谐波电流的作用下，其定子和转子绕组会产生额外的铜损，从而降低电动机效率，导致严重发热，甚至可能因过热而损坏。

其次，谐波还会干扰设备的正常工作，降低设备的效率。例如，谐波会导致电缆的介质损耗增大。因为电缆相当于一个电容器，在谐波电压的作用下，会产生额外的电容性电流，从而增加了电缆的损耗。并且，随着谐波次数的增加，损耗会更加明显。对于含有高次谐波的电力系统，电缆的损耗可能会是仅有基波电流时的数倍。

此外，谐波还可能引发设备故障，甚至导致设备损坏。例如，在电力系统中，电容器被广泛应用于无功补偿，旨在提升功率因数。然而，谐波的存在对电容器构成了显著威胁。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

(二)对电力系统稳定性的影响

谐波的存在会降低电力系统的稳定性和可靠性。首先，谐波会引起电网电压的畸变。当大量非线性负载接入电网时，会产生谐波电流注入电网，这些谐波电流在电网阻抗上产生谐波电压降，从而导致电网电压波形发生畸变。例如，在一些工业区域，如果有多个大型的电力电子设备同时运行，电网电压的总谐波畸变率(THD)可能会超过标准规定的5%，严重影响其他电气设备的正常运行。

其次，谐波可能引发电力系统的谐振。当电网的电感和电容参数与谐波频率满足一定条件时，就会发生谐振。谐振会导致电网中的电压和电流急剧放大，对电网中的设备造成严重的过电压和过电流损坏。例如，在一个包含电容器组的变电站中，如果系统中存在5次谐波，且其频率与电容器组的固有频率相近时，就可能引发谐振，损坏电容器和其他相关设备。

(三)对继电保护和自动装置的影响

谐波对继电保护和自动装置的影响也不容忽视。随着数字控制技术的大规模使用，很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面，即在设备的监测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件，如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路，造成误动作等。

(四)对通信线路的干扰

谐波还会对通信线路产生干扰。谐波信号频率高、能量大，可以存在电容耦合、电磁感应、电气传导等特性，对通信产生不可避免的干扰。这种干扰可能会影响通信线路的正常工作，甚至导致通信中断。

三、谐波的抑制方法

(一)降低谐波源的谐波含量

在谐波源上采取治理措施，从源头上最大限度地避免谐波的产生。这就需要在设计、制造和使用谐波源设备时，要注意谐波对供电系统及其供用电设备的影响，采取切实可行的治理措施。用电业务管理部门要严格把关，对于没有采取治理措施的谐波源用户，要禁止其入网运行。

(二)在谐波源处吸收谐波电流

这种方法是对已有谐波进行有效抑制的方法，也是目前电力系统使用最为广泛地抑制谐波的方法，具体做法有以下几种。

‌无源滤波器‌：无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。这种方法由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。

‌有源滤波器‌：有源滤波器即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。这种方法具有响应速度快、补偿效果好的优点，但成本较高。

‌防止并联电容器组对谐波的放大‌：在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下，电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

‌加装静止无功补偿装置‌：快速变化的谐波源，如电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

(三)加强谐波管理

‌调查研究摸清工厂谐波源的技术性能、运行操作规律‌：通过调查研究，可以了解谐波源的产生情况、谐波成分以及谐波对电力系统的影响，为制定有效的谐波治理措施提供依据。

‌要定期进行测量分析，采取相应措施抑制用电设备谐波分量的产生‌：通过定期测量分析，可以及时发现谐波问题，并采取相应的措施进行治理。同时，要确保工厂向电网注入的各次谐波电流均不得超过规定的允许值。谐波是电力系统中一个不可忽视的问题，它对电力设备、电力系统稳定性、继电保护和自动装置以及通信线路等都会产生严重的危害。因此，必须采取有效的措施进行谐波治理。通过降低谐波源的谐波含量、在谐波源处吸收谐波电流以及加强谐波管理等方法，可以有效地抑制谐波，提高电能质量，保障电力系统的安全稳定运行。