作者：郭书英
来源：《装饰装修天地》2015年第04期
摘要：随着现代科学技术的发展及人民生活水平的提高，电子信息设备、电力电子换流设备在工业领域大量涌现，气体放电灯、电子镇流器在工厂、公共建筑照明设计中大量应用，变频空调、电视机、计算机等家用电器的用电负荷也越来越大，使得在配电系统的工程设计中遇到越来越多的谐波源。如何进行谐波治理、提高供电质量这个问题一直困扰着我们广大的设计者。本文主要阐述了工业与民用配电系统中常遇到的谐波源及其产生的原因和危害，并提出针对性的抑制措施。
关键词：配电系统；工程设计；谐波源谐波污染；谐波抑制
一、谐波治理的必要性
随着现代科学技术的发展及人民生活水平的提高，电子信息设备、电力电子换流设备在工业领域大量涌现，气体放电灯、电子镇流器在工厂、公共建筑照明设计中大量应用，变频空调、电视机、计算机等家用电器的用电负荷也越来越大，使得在配电系统的工程设计中遇到越来越多的谐波源。如何进行谐波治理、提高供电质量这个问题一直困扰着我们广大的设计者。
电力电子设备等非线性负载产生的高次谐波，增加了电力系统的无功损耗。配电系统的合理设计、用电设备的正确选型（尤其谐波指标的确定）对于提高电能使用效率至关重要。
因此，国家对公共电网、用户配电系统均规定了谐波限值。要求对公共电网，电力公司向用户提供的电能质量应符合《电能质量公共电网谐波》GB/T14549-1993的要求。对用户配电系统，电力系统公共连接点（电压侧）的谐波电压（相电压）限值及全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根）均不能超过规定值，对不符合该规范要求的，应采取措施，直至符合该规范的要求为止。
二、常见的谐波源及其产生的原因
1.基本概念
交流电网中，由于许多非线性电气设备的投入运行，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形，而是不同程度畸变的非正弦波形。非正弦波通常是周期性电气分量，根据傅里叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波分量整数倍的谐波分量。用户向公用电网注入谐波电流的电气设备或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，统称为谐波源。常见的谐波源主要有：①换流设备；②电弧炉；③铁芯设备；④照明设备；⑤某些生活日用电器等非线性电气设备。
2.谐波电流产生的原因
2.1换流设备
换流器利用整流元件的导通、截止特性来强行接通和切断电流，产生谐波电流。一般来说多相换流设备是电力系统中数量最大的谐波源，其主回路通常不带中性线。这种设备主要包括整流器（交流→直流）、逆变器（交流→直流→交流）和变频装置。
2.2电弧炉
电弧炉一般是三项式，通过专用的电炉变压器供电。电弧炉的冶炼过程分为两个阶段，即熔化期和精炼期。在熔化期，相当多的炉内填料未融化而成块状固体，电弧阻抗不稳定。有时因电极插入融化金属中而在电极间形成金属性短路，这时借电炉变压器的阻抗和所串联的电抗器来短路电流。电弧炉因电弧的负阻抗特性（电弧的阻抗随电流的增大而急剧减小）和熔化期三相电极反复不规则地短路和断弧而产生谐波。在精炼期内，电弧炉的电流稳定，且不超过额定值，谐波含量不大。
2.3铁芯设备
铁芯设备主要为各种变压器及铁芯电抗器。电力变压器的铁芯具有非线性的磁化特性，而变压器的额定磁通密度值一般都设计在其磁滞回线的拐点附近，造成变压器的励磁电流（即空载电流）为非正弦波形，其中含有大量的谐波电流（奇次谐波）。电力系统中的普通固定电抗值的并联电抗器基本上是线性补偿设备，谐波含量很低，一般不成为谐波源；而静补装置中的相控型电抗器（TCR）和自饱和电抗器都能产生明显的谐波电流。
2.4照明设备
气体放电灯利用具有一定压力的汞、钠、镝、铟或金属卤化物的蒸汽，电弧放电时因具有负阻抗特性而产生谐波电流。电子镇流器的整流电路与高频逆变电路也产生大量谐波电流，电感整流器产生的谐波电流较少。
三、谐波的危害
1.对旋转电动机的影响
旋转电动机定子中的正序和负序谐波电流，分别形成正向和反向旋转磁场，使旋转电动机产生固定数的振动力矩和转速的周期变化，从而使电动机效率降低，发热增加。对于同步电动机的转子，又分别感应出正序和负序谐波电流。由于集肤效应，其主要部分并不是在转子中流动，而是在转子表明形成环流，造成局部发热，缩短使用寿命。
2.对变压器的影响
变压器等电气设备由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，降低了变压器的功率，并使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。正序和负序谐波电流同样使变压器铁芯产生磁滞伸缩和噪声，电抗器产生振动和噪声。
3.对并联电容器的影响
并联电容器的容抗随谐波次数的增大而减小，使得电容器更容易吸收谐波电流而导致过载发热；当其容性阻抗与系统中感性阻抗相匹配时，容易构成谐波谐振，使得电容器发热导致绝缘击穿的故障增多。谐波电压与基波电压峰值叠加，使得电容器介质更容易发生局部放电；此外，谐波电压与基波电压叠加时使电压波形增多了起伏，倾向于增多每个周期中局部放电的次数，相应地增加了每个周期中局部放电的功率，由此而加速了电容器老化，膨胀而破裂。
四、抑制谐波的措施及滤波器设置的原则
1.抑制谐波的措施
1.1 增加系统承受谐波的能力将大功率非线性用电设备的变压器改由短路容量大的电网供电，一般指由电压等级高、短路容量大的电网供电。
1.2 对大功率静止换流器采取增加换流脉动数，并提高触发系统控制精度。改造换流装置，提高整流变压器二次侧的相数和增加整流器的整流脉动数。对于多台相数相同的整流器，宜使整流变压器的二次侧有适当的相位差，可得到相数较多的整流器。
2.滤波器设置的原则
2.1有源滤波器
有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波及无功进行补偿。属于动态补偿，响应速度快的特点，且不易与电网阻抗发生谐振，补偿的品质不受电网频率变化的影响，但造价较高。有源滤波器是根据电流互感器测量负载电流的谐波含量，控制电流发生器生成一个精确的负荷谐波电流，在下个周波回馈到电源，从而降低谐波电流的幅值。并且由于在谐波频率时的电源阻抗降低使电压畸变也降低。
2.2无源滤波器
无源滤波器通常是利用LC电路进行滤波。它只适用于设计的谐波频率，通常并联在低压母线上。无源滤波器技术成熟，运行可靠，具有结构简单，维护方便，成本较低的特点。但若电网频率偏移，会影响抑制效果。
参考文献：
[1]任元会.《工业与民用配电设计手册》（第三版）中国电力出版社2005年10月.
[2]《全国民用建筑工程设计技术措施—电气》中国建筑标准设计研究院，2009年版.下载本文
