配电网谐波的产生与危害治理论文（通用4篇）
摘要：经济的飞速发展带来供电紧张，为解决供电紧张，一方面要建设许多新的电厂和输电线路，另一方面要高效利用现有的电力资源，减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加，供电质量下降的重要因素。本文分析谐波基本性质和测量方法，对配网中谐波的来源和危害进行了详细说明，总结和提出了治理谐波的若干方法。
关键词：电能质量 谐波治理 配电网
供电质量包括系统电压、频率的合格率，峰值、超限电压持续时间、停电时间，以及电网谐波含量等诸多方面。其中，谐波问题一直是主要的电能质量问题。谐波存在于电力系统发、输、配、供、用的各个环节。治理好谐波，不仅能降低电能损耗，而且能延长设备使用寿命，改善电磁环境，提高产品的品质。
1电力系统谐波的基本特性和测量
谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍数。理论上看，非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系，这类负荷的电流不是正弦波，且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后，那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外，还可能产生低于基频的次谐波，或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故，而导致系统进入暂态过程引起的谐波，将不归属谐波治理的范畴。 要治理谐波改善供电品质，需要了解谐波类型。谐波按其性质和波动的快慢可分成四类：准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性，在实际工作中，要精确评估谐波量值非常困难，所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定，推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。兼顾数理统计和数据压缩的需要，标准对测量时段以及通过测量值计算谐波值提出了表1建议。
国标GB/T 14549-1993采用观察期3s有效测量的各次谐波均方根值的95%概率作为评价谐波的标准。为简便实用，将实测值按由大到小的方式排序，在舍去前5%个大值后剩余的最大值，近似作为95%的概率值。
实际工作中，通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说，将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点，测量该点的电压和注入公共电网的电流后，通过对电压和电流的分析，取得谐波测量资料。
相对单点的谐波测量而言，从区域或整个电网角度来看，谐波源的定位和确定谐波模型进而分析它是一个相对复杂的过程。谐波源定位，一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种：非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理，只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
2配网中的谐波源
严格意义上讲，电力网络的每个环节，包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波，其中产生谐波最多位于用电环节上。
发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生，但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，发电机总会产生少量的谐波。
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。
用电环节谐波源更多，晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器，都能产生一定量的谐波。
晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理，从电网吸收的是半周正弦波，而留给电网剩下的半周正弦波，这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明，整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%，是最大的谐波源。
变频原理常用于水泵、风机等设备中，变频一般分为两类：交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流，变成直流电压信号，滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术，所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率，所以也会对电网造成严重的谐波污染。
充气电光源和家用电器更是常见的谐波源，如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的`非线性特征。计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。
3谐波在配网中的危害
谐波对于配电系统的影响，表现在对线路上所配置的保护及测量设备的影响。因这些设备一般采用电磁式继电器、感应继电器元件，容易接受谐波干扰而误动和拒动，系统中存在的不明原因的误动和拒动，与谐波不无关系。所以谐波超标，会严重威胁配电系统的安全稳定运行。
谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力，谐波导致的噪声，会使变电所的噪声污染指数超标，影响工作人员的身心健康。对于电力电容器，谐波会导致端电压升高，损耗加大，电容器发热，加速老化，从而缩短使用寿命。
配网中使用大量异步电动机，产生的谐波会增加附加损耗。负序谐波产生的负序旋转磁场，会产生制动力矩，影响电动机的有功出力。对断路器而言，无论其构成元件为电磁的、还是热磁的、亦或电子的，都可能受谐波的影响误动。
电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具，是用户缴费的凭证，而谐波可能使电能计量产生较大误差，严重时会导致计量混乱。同样，谐波也是引起录波装置误启动，保护误动和拒动的重要因素。
此外，谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进通讯系统，影响它们的正常运行。对于人体，谐波会刺激人体细胞，使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转，当这种波动或翻转频率接近谐波频率时，会影响人体大脑与心脏。
4配电网谐波治理的对策
既然谐波存在多方面的危害，采取必要的有效手段，避免或补偿已产生的谐波，就显得尤为重要。可归纳以下治理措施：
(1)加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993，对于谐波定义、测量等进行了宣传，明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效，是保证电网和设备安全稳定运行的举措；
(2)主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
(3)针对谐波的产生和传播的特点，采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中，主要存在的是三次谐波污染，可以在谐波检测的基础上，通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者，在设计初始，就要考虑其设备的谐波污染度，将谐波限制在标准允许的范围内。
(4) 加强管理，多方出资，共同治理。谐波的治理，需要大量的投资，不能仅仅靠供电部门，要调动电力供需环节中的各个方面，在分清谐波来源基础上，走共同治理之路。
5结论
经济的飞速发展带来供电紧张, 为解决供电紧张, 一方面要建设许多新的电厂和输电线路, 另一方面要高效利用现有的电力资源, 减少电力损耗。谐波是导致电力损耗增加, 供电质量下降的重要因素。
1 电力系统谐波的基本特性和测量
谐波是一个周期电气量的正弦波分量, 其频率是基波频率的整数倍数。理论上看, 非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系, 这类负荷的电流不是正弦波, 且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后, 那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外, 还可能产生低于基频的次谐波, 或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故, 而导致系统进入暂态过程引起的谐波, 将不归属谐波治理的范畴。要治理谐波改善供电品质, 需要了解谐波类型。谐波按其性质和波动的快慢可分成四类:准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性, 在实际工作中, 要精确评估谐波量值非常困难, 所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定, 推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。
实际工作中, 通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说, 将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点, 测量该点的电压和注入公共电网的电流后, 通过对电压和电流的分析, 取得谐波测量资料。
相对单点的谐波测量而言, 从区域或整个电网角度来看, 谐波源的定位和确定谐波模型进而分析它是一个相对复杂的过程。谐波源定位, 一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种:非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理, 只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
2 配网中的谐波源
严格意义上讲, 电力网络的每个环节, 包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波, 其中产生谐波最多位于用电环节上。
发电机是由三相绕组组成的, 理论上讲, 发电机三相绕组必须完全对称, 发电机内的铁心也必须完全均匀一致, 才不致造成谐波的产生, 但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制, 发电机总会产生少量的谐波。
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和, 磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素, 致使磁化电流呈尖顶形, 内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高, 其工作点偏离线性就越远, 产生的谐波电流就越大, 严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。用电环节谐波源更多, 晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器, 都能产生一定量的谐波。
晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理, 从电网吸收的是半周正弦波, 而留给电网剩下的半周正弦波, 这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明, 整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%, 是最大的谐波源。
变频原理常用于水泵、风机等设备中, 变频一般分为两类:交-直-交变频器和交-交变频器。前者将380V 50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流, 变成直流电压信号, 滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号。后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。两者均采用相位控制技术, 所以在变换后会产生含复杂成分 (整次或分次) 的谐波。
3 谐波在配网中的危害
谐波对于配电系统的影响, 表现在对线路上所配置的保护及测量设备的影响。因这些设备一般采用电磁式继电器、感应继电器元件, 容易接受谐波干扰而误动和拒动, 系统中存在的不明原因的误动和拒动, 与谐波不无关系。所以谐波超标, 会严重威胁配电系统的安全稳定运行。
谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损, 降低变压器有效出力, 谐波导致的噪声, 会使变电所的噪声污染指数超标, 影响工作人员的身心健康。对于电力电容器, 谐波会导致端电压升高, 损耗加大, 电容器发热, 加速老化, 从而缩短使用寿命。
配网中使用大量异步电动机, 产生的谐波会增加附加损耗。负序谐波产生的负序旋转磁场, 会产生制动力矩, 影响电动机的有功出力。对断路器而言, 无论其构成元件为电磁的、还是热磁的、亦或电子的, 都可能受谐波的影响误动。
电能表是评价电能消耗重要而基本的测量工具, 是用户缴费的凭证, 而谐波可能使电能计量产生较大误差, 严重时会导致计量混乱。同样, 谐波也是引起录波装置误启动, 保护误动和拒动的重要因素。
此外, 谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进通讯系统, 影响它们的正常运行。对于人体, 谐波会刺激人体细胞, 使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转, 当这种波动或翻转频率接近谐波频率时, 会影响人体大脑与心脏。
4 配电网谐波治理的对策
既然谐波存在多方面的危害, 采取必要的有效手段, 避免或补偿已产生的谐波, 就显得尤为重要。可归纳以下治理措施:
4.1 加强标准和相应规范的宣传贯彻。
IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993, 对于谐波定义、测量等进行了宣传, 明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效, 是保证电网和设备安全稳定运行的举措。
4.2 主管部门对所辖电网进行系统分析, 正确测量, 以确定谐波源位置和产生的原因, 为谐波治理准备充分的原始材料;
在谐波产生起伏较大的地方, 可设置长期观察点, 收集可靠的数据。对电力用户而言, 可以监督供电部门提供的电力是否满足要求;对于供电部门而言, 可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
4.3 针对谐波的产生和传播的特点, 采取相应的隔离、补偿和减小措施。
在配电网中, 主要存在的是三次谐波污染, 可以在谐波检测的基础上, 通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者, 在设计初始, 就要考虑其设备的谐波污染度, 将谐波限制在标准允许的范围内。
4.4 加强管理, 多方出资, 共同治理。
谐波的治理, 需要大量的投资, 不能仅仅靠供电部门, 要调动电力供需环节中的各个方面, 在分清谐波来源基础上, 走共同治理之路。
谐波治理是综合治理过程, 是改善供电品质的重要手段。GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制, 对用户注入公用电网的谐波电流也进行了相应的规定, 在主网、城网中, 谐波治理有明确的规定和要求, 而日益发展的农村电网对有关谐波的治理并未引起足够的重视, 认识还有待提高。目前农网中的高压配电的许多用户, 对谐波的危害也没有引起足够的重视, 往往认为谐波治理是电力部门的事情, 是一种单边行为, 就此而言, 作为电力归口管理部门有必要加强谐波治理方面的宣传, 强调谐波治理的重要性和投资回报。在对谐波准确测量的基础上, 提出适合用户的治理方案。这样做, 不仅能够改善整个网络的电力品质, 同时也能延长用户设备使用寿命, 提高产品质量, 降低电磁污染环境, 减少能耗, 提高电能利用率。
摘要：由于电力电子技术在电气设备中的广泛应用, 以及其它非线性负荷的不断增加, 配电网络中的谐波污染问题日益严重, 已危及电力网和用电设备自身的安全和经济运行。为此, 谐波问题的分析和综合治理也日益成为农网工作者广泛关注的课题。治理好谐波, 不仅能降低电能损耗, 而且能延长设备使用寿命, 改善电磁环境, 提高产品的品质。本文从谐波的特点及性质出发, 结合相关惜波标准, 阐述了谐波测量仪器的基本原理、功能和精度要求等, 目的是对谐波的测量、监测与管理有一个较全面的认识, 以利惜波的综合治理。
关键词：煤矿 供配电 谐波 危害及治理
中图分类号：TD61文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0080-01
在《煤矿质量标准化标准基本要求及评分办法》里有明文规定，“应定期检测电网谐波，谐波参数不超过规定”，为了更好的了解煤矿供电系统谐破的危害以及治理方法，结合多年工作经验和参考文献，撰写了该文。该文从实际谈到了谐波的来源以及来源的原理，在工作中怎样有效的预防谐波的形成以、治理以及供配电工作中怎样有效的进行防范和治理，以达到符合供电要求，保证安全供电的目的。
电力是我们生活和生产中都不能缺少的一部分，对于理想的交流电网，大家都希望电压其会周期性变化，形成正弦波，对于用电者，也希望所采用的是电压保持理想正弦波的电。随着现在社会的发展，近几年来电力电子装备的应用在不断的增加，各种变频设备、整流设备等电力半导体装置也在不断的应用。而由于使用电力半导体装置其会导致非线形的负载，这样就会使电压、电流等并不是完全的正弦波，根据傅立叶级数分析，可分解成基波分量和谐波分量。谐波其是由于多方面的原因产生的一种电流的畸变，要是这样的谐波电流流入到煤矿电力系统中，其就会导致系统受到多方面的影响，轻则缩短设备使用寿命，重则会导致设备损坏以及人身安全，因此对煤矿供配电系统的谐波进行治理非常有必要。
1 正文部分
1.1 煤矿供配电系统中谐波的原因和危害
半导体的非线性元件其是在煤矿供配电系统中应用广泛的一种，在矿井提升机、通风机、主排水泵等等能电力电子设备方面都有应用，而且在变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备等方面也都有应用，可以说其是应用范围非常广泛。而在煤矿供电网络中，谐波有很多方面的危害，其会导致电网的功率损耗增加，减少设备的使用寿命，同时也会导致接地保护的功能受到影响，也会导致线路和设备过热等。除了这些以外，其还会引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力互感器，变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，使造成供电网络设施损坏、元器件老化，造成电子保护装置误动作，增大附加磁场的干扰等。
谐波其会导致变压器的铜损增加，而且其还会导致变压器的基波负载容量下降，效率降低，对变压器的使用寿命也会有严重影响，使其寿命减少，噪声也会增加。同时产品谐波的话，其还会导致电动机的铁损和铜损，因此而引起额外的升温，导致电动机的效率因此下降，这样也会导致很多不必要的浪费，使生产受到影响，而且其对电动机的影响与对变压器的影响有相同之处，也会导致其设备的使用寿命降低，噪音也会因此增大。对电容器也会有所影响，导致电容器过电流，会导致电容器迅速发生故障。电容器会导致在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，这样就会导致额外升温，还可以减小额定载流量，对矿井供配电系统产生严重影响。此外，由于谐波对通讯的影响，其会导致信号的传输质量降低，就会导致响声以及图像等的清晰度，严重的时候还会导致设备损坏，危及到工作人员的安全等方面的问题。
1.2 煤矿供配电系统谐波治理
谐波的存在是导致矿井安全生产以及安全生活隐患的最主要问题，所以在实际工作中必须要对煤矿供配电系统谐波进行治理。在治理的过程中要根据国家对于谐波污染的治理要求，采取必要的措施进行治理。
（1）选择电力电缆方面。谐波引起电缆发热的危害，是在在矿井供配电系统电力电缆截面的选择过程中必须要考虑到的。对于连接谐波主要扰动源设备的配线，确定电缆载流量时应留有足够裕量，必要时可适当放大一级选择电缆截面。
（2）无功补偿电容器的配置。在进行无功补偿的过程中，在有谐波的矿井供配电系统中，不能采用常规补偿系统进行。通过使用调谐式电容器组，为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，其也就是在补偿电容器中加串调谐电抗器。通过电抗器的使用避开谐波电流可能出现的频率，这种电抗器被称为调谐电抗器，通过使用带有这种电抗器的电容器组确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振。
（3）谐波补偿装置进行补偿。矿井中的主要谐波源是指大功率的提升机、通风机等等，对于这些主要谐波源在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。增加谐波补偿装饰，可以拟制变频器在运行中产生的谐波，使输入电流成为正弦波。采用LC调谐滤波器进行谐波补偿的方式，其是比较传统的方式，这种传统方式其可以补偿谐波，也可以对无功功率进行补偿。不过其也有缺点，就是其补偿的特性会受到多方面的影响，包括矿井供配电系统阻抗和运行状态等，其容易与系统之间发生并联谐振，导致谐波被放大，在严重的时候，其还会导致LC滤波器烧坏。由于该装置的结果简单，即使其只能对固定频率的谐波进行补偿，而且效果也不是很好，不过其仍然是现在广泛应用的一种。在电力电子器件的应用普及以后，在进行谐波补偿中运用有源电力滤波器已经成为了一种主要的方式。采用这种滤波器其对谐波有跟踪作用，尤其是对那些频率以及幅值变化的谐波。其工作原理是在补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。
2 结语
该文从实际谈到了谐波的来源主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因此发生畸变，谐波电流注入到煤矿电力系统中，这些非线性设备就成为电力系统的谐波源。在工作中怎么采取消除或抑制谐波危害的防范措施有效的预防谐波的形成来进行防范和治理，以达到符合供电要求，保证安全供电的目的。
参考文献
[1]刘燕燕，亓跃峰.电网谐波危害分析及在煤矿生产中的应用[J].现代电子技术， 2005（18）.
[2]吴震春，任子晖，仇润鹤.煤矿电网谐波的测试与分析[J].煤炭科学技术，1993 （6）.
最优化的补偿模式就是采用小容量的固定补偿，根据每个牵引变压器的供电容量固定补偿变压器的空载损耗，采取分级投切的动态无功补偿装置TSC(Thyristor Switched Capacitor)+FC(Fixed Capacitor)+TSF(Thyristor Switched Filter bank)的补偿及滤波方式，它能采集进线装置的工作电压和电流，并能计算出设备的带载率，实现实时补偿，并滤除部分谐波。
4 TSC 补偿设备的性能特点
5 牵引网最佳的补偿方案
通过分析TSC 补偿设备的特点，不难看出在快速调节无功变化的场合，TSC 补偿设备有不可替代的优越性，晶闸管电子无触点开关既具有过零投切涌流小，无过电压的优点，又解决了工作时散热的问题。在实际工作中，其操作寿命几乎是无限的，可以频繁投切，投切时刻是可以精确控制，实现无过渡过程的平稳投入和切除(动态响应时间0.01~0.02s)。
而针对于牵引网供电的特点，牵引网根据各个区段不同，其供电的负载率各不相同，因此不能采用单纯TSC 补偿模式，因为牵引网的供电容量较大，而且无功波动也非常大，而TSC 每组的投切容量有限，而如果增加TSC 的投切组数，就会增加投资。而对于大容量的补偿负荷又起不到应有的补偿效果。
同时，由于现在采用的“反送正计”的计量手段，因此，单纯的采用大容量的固定补偿电容器组又会造成低负荷时该区段过补严重，也会影响到补偿效果。
针对牵引网供电的特点，提出静止补偿模式FC 与TSC 动态补偿模式配合使用的方法，配合原则是：(1)FC 固定补偿电容器组针对于牵引网变压器的空载损耗以及基础负荷进行补偿，确保在没有其他动态负荷存在的情况下，保证牵引网供电变压器的公共连接点的功率因数计量达到0.90 以上。(2)TSC 动态补偿电容器组针对于牵引网负荷变化做出快速补偿，确保能够跟踪牵引网中动态负荷的无功变化，确保在有动态负荷存在的情况下，保证牵引网供电变压器的公共连接点的功率因数计量达到0.90 以上。(3)通过FC+TSC的配合补偿的作用，使牵引网该区段的月平均功率因数达到0.9 以上满足供电局对用户的要求。
牵引网FC+TSC 的补偿一次系统，左侧为TSC 快速补偿模式、右侧为FC 固定补偿模式。
6 结束语
