摘要：对谐波的产生及谐波对港口供电系统和用电设备的影响进行了分析，提出了几种防治谐波的方法和设计原则。
　　
　　关键词：谐波,港口供电系统,谐波的防治
　　
　　近几年来，港口供电系统中的谐波问题已引起业界人士的普遍重视，特别是随着港口建设的迅速发展，港口规模不断扩大，港口用电设备中，大量采用了硅整流设备和可控硅变流设备，以及在堆场照明中普遍采用的放电类电光源设备。这些非线性负载能产生各次的高次谐波，能使变压器、电动机等发热，也能使回路过载发热，断路器频繁跳闸，甚至引起火灾。这会严重降低港口的供电质量，因此，防治谐波，降低损耗，提高供电系统电能质量是非常重要的。
　　
　　1谐波的产生
　　
　　众所周知，我们的供电系统和用电设备都被设计成按正弦波形运行，其基波频率我国为50Hz。但由于供电系统中变压器、整流设备、充气电光源等大量非线性负载的存在，实际波形会发生畸变，产生一系列频率为基波频率整数倍的分量，这些分量就被称为谐波。
　　
　　1.1在港口供电系统中主要是变压器产生谐波。
　　
　　由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大。
　　
　　1.2在港口用电设备中主要是整流器和逆变器产生谐波。
　　
　　因为在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流和施加的电压成正比。所以如果所加电压是正弦的话，流过的电流就是正弦的，也就不存在谐波。当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流，也就产生了谐波。
　　
　　整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用是将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器——逆变器广泛应用于交流变频调速及交－直流电动机的调速等领域。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（５０Ｈｚ基波）外，还叠加了一系列高次波形——谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近３０％），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染。
　　
　　由于变流设备功率大(30kW～20000kW)、数量多，因此,它对港口企业的供配电系统的影响也就极大。
　　
　　1.3气体放电类电光源产生谐波
　　
　　我国港口企业照明基本采用气体放电类电光源,如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。测量及分析气体放电类光源的全伏安特性可知,此类光源的非线性非常严重,有负的伏安特性。气体放电类电光源使用时,必须与电阻或电感串联,使其综合伏安特性不再负,才能正常工作,串联的电阻或电感被称为镇流器。其非线性极其严重,3次谐波含量占其基波含量的20%以上。由于其特性为对称奇函数,只含有奇次谐波。它属于电流源型谐波源。
　　
　　气体放电类电光源由于数量巨大,其产生的谐波对供配电系统产生的影响也就十分巨大。在整流设备还未广泛使用的时期,影响供配电系统的谐波主要是由此类电光源产生。
　　
　　1.4计算机及其他办公设备产生谐波
　　
　　计算机及其他办公设备的电源基本上都是开关电源,因此都会产生谐波。由于此类设备的大量使用,对电网的谐波干扰也就十分严重。

　　2谐波的影响
　　
　　由于港口企业产生谐波的设备比较多，谐波使港口的生产面临严重的影响。
　　
　　2.1谐波对输电线路的影响
　　
　　如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。当注入系统的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路会造成绝缘击穿。尤其是电缆线路，如今港口供电系统中，几乎都采用电缆供电，电缆线路对地电容比较大，而感抗较小，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。
　　
　　2.2谐波对变压器的影响
　　
　　谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热。
　　
　　2.3谐波对供电系统可靠性的影响
　　
　　如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响供电系统安全。特别对于电磁式继电器来说，谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁港口供电系统的安全、可靠运行。
　　
　　2.4谐波对电动机的影响
　　
　　主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。同时负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。
　　
　　另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。
　　
　　2.5影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作
　　
　　对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，供电系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。

　　3谐波的防治
　　
　　为了减少谐波对港口供电系统的影响，从管理和技术上可采取以下措施：
　　
　　（1）严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准，加强管理
　　
　　1993年国家颁发GB/T14549《电能质量公用电网谐波》，规定的注入公共连接点的谐波电流允许值的用户，必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波。
　　
　　（2）采用三角形/星形接法的配电变压器。
　　
　　对于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次谐波电流在一次绕阻循环流动而不会传到电源系统中去，从而不会使不平衡和3N次谐波电流影响整个电源系统。这种接法是配电变压器中最常用的一种。所以《民规》4.3.3条提出：需要限制三次谐波含量者，宜选用接线为D，yn11型变压器。
　　
　　（3）装设无源滤波器
　　
　　无源滤波器是传统的谐波补偿装置。在供配电系统中加装电抗器与电容器组成的调谐滤波器，即可以补偿无功功率又可以吸收谐波，从而减轻谐波对电气设备的危害，提高供电系统承受谐波的能力。
　　
　　（4）装设有源滤波器
　　
　　有源滤波器近年来发展很快，它可以实时、动态的抑制谐波，并能补偿大小和频率都变化的谐波。根据电路组成方式和接入电网方式的不同，可分为电压源型和电流源型，串联型和并联型。有源滤波器将成为未来谐波补偿的发展方向，并将取代传统的无源滤波器。
　　
　　（5）增加变流装置的整流相数
　　
　　使用和制造大型硅整流和可控硅装置的企业,在设计和使用时,增加整流相数。将现在普遍使用的三相整流、六相整流和十二相整流发展到十八相整流和二十四相整流甚或更多相整流。这样就使对供配电系统产生较大危害的3次、5次、7次谐波极大的减少,这是一种极好的治本方法。
　　
　　（6）抑止整流和逆变产生的谐波
　　
　　①在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的电容，（分别接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的１／１０，效果较明显。
　　
　　②变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。变流装置是供电系统的主要谐波源之一，可以采用增加变流装置的相数，有效的xx幅值较大的低频项，从而大大降低谐波电流的有效值。
　　
　　（7）将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开
　　
　　将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开。因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。
　　
　　4防谐波的设计原则
　　
　　在港口供配电设计过程中，为减少谐波的产生，可采取下列方法：
　　
　　（1）除低压用户外，公共建筑配电系统的接地保护应尽量采用TN-S制，以减少谐波对接地线路的干扰。
　　
　　（2）应尽可能将非线性负载放置于配电系统的上游，以避免对线路下游的影响。
　　
　　（3）谐波较严重且功率较大的设备，应从变压器出线侧采用专线供电。
　　
　　（4）谐波很严重的配电系统中，功率因数补偿电容器宜串接适当的电抗器，作为谐波抑制的辅助手段，并应注意避免发生电网局部谐振。
　　
　　（5）由晶闸管控制的负载或设备，宜采用对称控制，以尽可能使中性线导体上的谐波互相抵消。
　　
　　（6）当设计过程中对配电系统的谐波难以预料时，宜预留必要的滤波设备空间。
　　
　　5结束语
　　
　　随着港口非线性电力设备的广泛应用，港口供电系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接或简介影响了港口的生产。
　　
　　谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]JGJ16-2008民用建筑电气设计规范.
　　
　　[2]王凌云民用建筑配电系统中的谐波及其抑制电世界2000.7.
　　
　　[3]《工业与民用配电设计手册》第三版中国电力出版社2005.
　　
　　[4]GB/T14549-93电能质量公用电网谐波.

 

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