摘要： 介绍谐波的基本知识及影响，分析工业厂房供电系统的主要谐波来源，阐述谐波对供电系统的危害，总结工业厂房谐波治理比较有效、合理的做法。 Abstract： This paper introduces the basic knowledge of harmonic wave and its influence， analyzes the main harmonic sources of industrial plant power supply system， expounds the harm of harmonic in power supply system， and sums up the more effective and rational approach.
关键词： 谐波；电能质量；无源滤波；有源滤波
Key words： harmonic；power quality；passive filter；active power filter
中图分类号：FTM922.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）31-0069-02
0 引言
电网中理想的电压电流波形是50Hz的正弦波，电压与电流的相位一致，功率因数为1。实际电网中的负荷千差万别，尤其随着经济发展，大量非线性负荷增加，特别是电力电子技术、节能技术和控制技术的进步，在通信、交通、汽车工业、工程机械、冶金钢铁、煤矿、石油石化等部门大量使用各种整流设备、交直流换流设备、电力电子调压设备、电熔炼设备、电化学设备、矿井起重设备、露天采掘设备、电气机车等与日俱增，这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波污染会对电网和用户带来越来越多的干扰和影响，影响用电设备安全，增加电能损耗。
1 谐波的定义与危害
根据国标《电能质量公用电网GB/T 14549-93》的定义：“谐波（分量）为对周期性交流分量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。”也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整倍数。
谐波研究的意义在于谐波会严重影响用电设备和供电系统的安全、可靠与经济运行。供电系统中谐波的危害主要表现在以下几个方面：
①诱发电网谐振，导致谐波过电压和过电流，引起严重事故，损坏电容器补偿等电气设备。②导致异步电机和变压器产生附加损耗和过热，其次是产生机械振动和谐波过电压，降低效率和利用率，缩短使用寿命。③谐波电流频率增高会引起电力电缆和配电线的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成火灾隐患。④对通信、电子或自动控制设备产生严重干扰。⑤谐波电流使断路器遮断能力降低，导致断路器、接触器等不能安全稳定工作。⑥致使电力保护装置误动或拒动，导到处区域性停电事故。⑦使电力系统各种测量仪表误差增大，甚至无法工作。⑧干扰或影响各类低压电器的正常使用。
2 工业厂房谐波源
工业厂房所常用的非线性用电设备主要有四大类。
2.1 电弧加热设备，如电弧炉、电焊机等 电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性。此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。
2.2 交流整流的直流用电设备，如电解、电镀等 交流整流直流用电设备的谐波产生的原因时由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。
2.3 交流整流再逆变用电设备，如变频调速、变频空调等 交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是目前推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。
2.4 开关电源设备，如中频炉、电子整流器等 开关电源设备目前应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。
3 谐波治理措施分析
由于谐波引起的危害在不断扩大，为了减少电力系统中谐波问题，我国于93年发布实施了《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993），对谐波、负序电流注入电网的量做出明确的规定，以保证电网的供电质量。目前主要从两个方面对谐波进行治理。
一方面是提高供电电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使谐波对电网和自身的影响在允许范围内，但这并不是通过消除谐波本身对电网的不利量值来解决电网的影响，而是把这些量值送到更高电压等级的电网去扩散，以降低对电网的影响。
另一方面是从谐波源着手，在根本上消除大部分谐波量值，以使其对电网的干扰降至最低。通常采用无源LC滤波装置及有源滤波装置APF两种谐波抑制装置。就目前情况来说，这种方法的使用效果更加明显，使用前景更加理想。
3.1 无源LC滤波装置 无源LC滤波装置是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，其基本原理是利用电路谐振的特点，形成某次或某些谐波的低阻抗通道，将大部分谐波电流分流，分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等几种。单调谐滤波器仅针对某一特定设计频率，例如3次、5次、7次等，形成对特定次数谐波的低阻抗通道。实际中常用几组针对不同频率的单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波成套装置。LC滤波器中含用一定量的电容，可提供固定容量的无功功率，起到一定的改善功率因数效果。如图1所示，针对可控硅整流电源型谐波源，设置了5、7、11次单调谐滤波支路。由于特定次数的谐波电流值与所流经支路谐波阻抗成反比，谐波源产生的谐波电流中，80～90%流经滤波支路，只用10～20%的谐波电流注入系统，起到很好的谐波滤除效果。为适应谐波变化的情况，也常用可控硅对滤波器组进行动态投切，称为TSF。 无源滤波具有投资少，效率高，结构简单，运行可靠及维护方便等优点。但无源滤波也存在诸多缺点如受系统参数影响较大，只能消除特性的几次谐波，滤波要求和无功补偿、 调压要求有时难以协调，有效材料消耗多、体积大等。
3.2 有源滤波装置 有源滤波器（Active Power Filter，缩写为APF）。APF的工作原理是并联接入电力系统，通过实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流成分，并将其反向，通过控制IGBT的触发，将反向电流注入供电系统，实现滤除（抵消）谐波功能。另外，还可提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网功率吸数、实现动态无功补偿。APF相当于给谐波电流提供了接近于0的极低阻抗通道，以免谐波电流注入系统。如图2所示。
与无源滤波器相比，APF有以下特点：
①不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；②滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；③具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。同时APF也存在造价高、运行损耗大、容量受到限制等缺点。
4 滤波器装置在工程中的合理应用
工业厂房的配电系统通常为混合型配电系统。在设计工业厂房的配电系统时应对各设备进行分类，做到同类别设备由同一配电干线供电，甚至由专用变压器供电。对不同设备所产生的谐波进行针对性治理，使其发挥最大的作用，减小不同设备的互相干扰。工业厂房配电系统的谐波治理方式可分为总补偿方式、部分补偿方式和局部补偿方式。如图3所示。
4.1 总补偿方式 当配电系统的非线性负载位置分散且单台容量较小时，宜采用集中补偿方案。如轻工业园区，各工厂规模较小，设备较少，往往整个工厂的变压器安装容量不到1000kVA，在低压电源总进线处安装APF，就能有效地消除谐波。
4.2 部分补偿方式 当配电系统的非线性负载集中在某几条支路时，宜采用部分补偿方案。如工程机械联合生产车间的焊接区与涂装区，设备均集中在某一区域，一般采用单独的母线供电，可在母线的供电端安装相对应的无源滤波器，这样即能有效的抑制谐波又节省投资。
4.3 局部补偿方式 当配电系统的非线性负载集中，单台容量较大时，宜采用局部补偿方案。如钢铁行业的电弧炉、水泥行业的煅烧用大型转窑等，这类设备对其他设备的干扰很大，应就地安装APF进行消谐。
5 结语
当前工业生产的主要动力能源依然是电能。绝大多数工厂都是从国家电力系统取得电能的。随着我国工业化进程的高速发展，对电能的需求将越来越大，而用电设备注入电网的谐波也将越来越大。
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