学文网摘要:下文作者结合工作经验，并通过实例分析，阐述了电力系统中高次谐波相关问题研究。
关键词:电力系统 高次谐波 问题
中***分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：
一、 电力系统中高次谐波的危害和影响
在电力系统工作运作中，高次谐波主要对并联电容器的危害很大，通常情况下电流都是叠加在电容器的基波电流上，运行过程中由于电容器对高次谐波的阻抗很小，使电容器运行电流的有效值增大，温度增高，甚至引起过热而降低寿命，或使电容器损坏。电容器还可以使配电网中的谐波电流放大，有时甚至在配电网中产生谐振，使电气设备受到严重损坏。
***1 电网中两器在母线上的回路
***2 交流器视为高次谐波的等值电路
***1是电网中两器在母线上的回路，高次谐波电流In被分流为流向电网侧的Ion和流向电容器的Icn两部分，因为感应电动机对高次谐波的负载阻抗相对电源和电容器的阻抗是很大的，所以在计算高次谐波分流时，电动机回路及其它类似回路的分流均忽略。当把交流器看作高次谐波时,可得***2所示的等值电路。根据等值电路可得各部分高次谐波电流为：
（1）
（2）
式中In─谐波产生的高次谐波电流；
Zo—电源回路的高次谐波阻抗；
Zc—电容器回路的高次谐波阻抗。
电容器对高次谐波分流作用有影响的是它的交流阻抗 ，Zc与频率f成反比。电源阻抗 Zo=(j2πfL)是感性阻抗，它与f成正比。因此，在工业频率的基波时Zc比Zo大10倍以上，但在高次谐波时Zc比Zo还小，所以高次谐波电流容易通过电容器，对电容器危害最大。
因为电容器阻抗带－j符号，电源阻抗带+j符号，由式(l)和(2)可知，分母的绝对值小于分子绝对值，因此使流向电网和电容器的高次谐波电流Ion和Icn均等于In乘以一个绝对值大于1的数，故产生了高次谐波电流放大现象，并且Icn比Ion大很多。
因感性频率特性与容性频率特性刚好相反，在某高次谐波作用下，感性支路和容性支路的参数值接近而发生谐振。但在基波频率（工频）下，由于两支路的参数在数值上相差很大而不会产生谐振。
表 电力网电压正弦波形畸变率限值
高次谐波谐振分为串联和并联谐振。在从联接有发生高次谐波负载的母线到电容器之间的回路中有变压器之类的感性电抗时，若串联感抗nXL和容抗在n次谐波下相等或接近，就会发生串联谐振,此时回路总阻抗Zc≈0，逆变器等变流装置产生的高次谐波电流几乎全部流入电容器回路(Icn≈In)。
.式中XL——串联电感基波电抗；Xc——电容器基波电抗。
当从联接有高次谐波负载的母线到电源侧的感性电抗Z0与母线到电容器侧的容性电抗Zc的阻对值相等时，产生并联谐振。此时式(1)、(2)中分母的阻抗为零，故流向电容器和电源的高次谐波电流Icn和Ion为无穷大。但因回路中存在损耗，使谐振时电流的扩大受到抑制。
在电容器不串接电抗器的并联谐振电路中，高次谐波的谐
式中Sd——电源的短路容量(kVA)；Qc——电容器的容量(kVar)。
3 高次谐波的限制标准
1．谐波的基本表达式
总谐波电流有效值：
总谐波电压有效值:
电压正弦波形畸变率:
电流正弦波形畸变率:
n次谐波电压含量：
n次谐波电流含量：
式中U1，I1—基波电压、电流；
Un,In—n次谐波电压、电流有效值。
4 防止高次谐波损坏电容器的措施
（1）在电容器回路串入XL=6%Xc的电抗器，以消除5次以上谐波。在谐振频率下，只有电容器回路的阻抗呈容性时才会发生高次谐波谐振;若是呈感性则不发生谐振。因此，在电容器回路中要串接电抗器。
如***3所示，要使电容器回路在第n次谐波作用下的总阻抗Zc呈感性，串接电抗器的电抗须满足：jnXL＞-jn（XC/n） 由此得电抗器的电抗为：XL≥ (XC/n2);由式看出n=3，则
XL=XC/32=0.11 XC
XL = XC /52=0.04 XC
即XL(%)在3次和5次谐波时应分别为11%和4%以上才能保证电容器回路的综合阻抗呈感性。要消除3次和5次谐波，应分别选用大于11%和4%的电抗器，考虑到电源频率可能的变化和电抗器制造误差，所以选用XL=13%XC和XL=6%XC的电抗器。为了减小电抗器的体积，常以避开5次谐波为消谐对象，即串接XL=6%XC的电抗器。
***3 电容器回路的综合阻抗呈感性***
（2）整流变压器采用Y/或/Y接法。在接法中，可控硅设备的高次谐波电流通过副边绕组时，其中的3的倍数的高次谐波电流由于三相相位相同，在绕组中形成环流,能量损耗在绕组的电阻上，变压器铁芯中不能产生三次谐波磁通，原边Y绕组中就不感应3的倍数的电势与电流。在/Y接法中，副边Y绕组中不能流过相位相同的3的倍数的高次谐波电流，使得变压器铁芯中出现3的倍数的谐波磁通,原边绕组中感应出3的倍数的谐波电势，并在组中形成相位一致的环流。能量消耗在绕组的电阻上,谐波电流不会流入电网。
（3）增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多,整流波形的脉冲数越多，整流后直流电压和电流的脉动系统越小，高次谐波的含量也就越少。
（4）采用调谐滤波器。调谐滤波器是有针对性地对某次或某几次含量大的谐波进行吸收的装置，由R，L，C等元件组成串联谐振回路，安装在变压器初次侧母线上。由于它对谐振的谐波电流呈现很小的阻抗，因而将其吸收而不会流入电网。
（5）改变电容器组容量，使变压器感抗与电容器装置的容抗构成的谐振次数nt改变，错开母线电压存在的主要谐波次数。
5 实例分析
一氯碱化工股份有限公司聚氯乙烯厂空分装置6kV单母线分段，每一分段各装有一组375kVar补偿电容器。2010年上半年，发生当投入补偿电容器组后，电容器电流严重超出，有时发生电容器电流达到电流额定值的2倍，经初步分析为电网高次谐波影响所致（如公司电化厂有数台大型整流变压器受电网高次谐波的影响）。经华东电管局谐波监测中心采用SXF-I型实时谐波分析仪测试结果表明，当电容器未投运时，6kV母线上电压主要是3次谐波成分。I段3次谐波电压含量DU3=0.267%，II段3次谐波电压含量DU3=0.744%，电压正弦波形畸变率Du没有超过限值(4%)。
当II段电容器投运后，JI段母线电压主要包含11、13、21、23、25次谐波电压，并以23、25次最为严重。DU23=3.71%，DU25=2.12%，电流波形产生严重的畸变。
电容器电流中基波电流为35.2A；
11次谐波电流为3.1A(8.78%)；
13次谐波电流为6A(17.1%)；
21次谐波电流为2.47A(7.02%)；
23次谐波电流为31.1A(88.3%)；
25次谐波电流为19.27A(54.77%)。
所以高次谐波电流的均方根值可达37.3A，已超过基波电流值。而总的谐波电流有效值可达51A左右。按照电容器能承受的稳态过电流应不超过额定频率，额定正弦波电压下的1.3倍，因此，如此高的谐波电流将会造成设备损坏，是不允许的。
由于在电容器不串接电抗器的并联谐振电路中，高次谐波的谐振次数
在上述系统中Sd≈200MVA，Qc=375kVar,计算得：
由此分析，高次谐波主要是由于高次谐波的并联谐振所引起的。
为了消除高次谐波对电容器的影响，采取了在电容器回路中串接XL=6%Xc的电抗器，以消除5次以上的高次谐波，经投入运行后再没有发生过电容器回路电流超过额定值的现象。
参考文献
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