谐波对电气系统的影响及其抑制方法
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摘要：
在正常情况下, 供应的优质电力都是正弦波形的电压，但当供电电压受某些因素影响时，其实际波形就会因偏离正弦波形也就是即产生谐波。正常工作时，谐波会导致供电系统的电压、电流畸形化，进而导致电力质量变差。本文将以减少供电系统波动，提高供电质量为目的，简要分析电气系统中谐波产生的原因及类型，并提出了一些相应的抑制措施。
关键词：谐波；电气系统；抑制措施
最近几年，高新技术不断飞速发展, 给人们的生活带来很大便利，同时也提高了工作效率。但是，科技的进步同样有其不利的一面，比如目前非线性负荷的设备、大功率换流设备以及非线性元件在城市轨道交通工程中的大量应用就产生了很多不良影响。这些设备会产生谐波电流源从而造成正常的电流发生畸变,偏离其正弦波形。又因为负荷与电网是相连的，因此谐波电流就会被注入到轨道交通的电气系统中从而导致电源污染现象。这不仅会对电气系统的正常运行产生消极影响，还会加大设备损耗，进而使设备的寿命缩短。因此，我们必须加强对谐波对电气系统的影响的研究，找出有效措施。
一、什么是谐波？
谐波产生的源头是非线性负荷，也就是供电电压的波形与电流波形不同的负荷。轨道交通工程中离不开UPS 电源、荧光灯、计算机、变频器等设备，而这些设备产生的谐波电流电压会对配电网产生影响。
二、谐波的危害
谐波会给电气系统中输电、配电以及用电设备的安全运行带来不良影响甚至会使某些设备无法工作。因此，谐波已经被公认为电力系统中的“污染”，必须想办法予以抑制。谐波主要对电气系统产生一下几个方面的危害。
1、谐振
在轨道交通配电过程中，大量感性电机和容性负载的使用极易产生谐波，系统中存在的谐波分量很可能会产生并联或串联的局部谐振，这就会使配电线路产生极大或极小的阻抗，并因此使电力系统配电网络的电流和电压改变，进而放大谐波分量，谐波支路中的设备会由于过电压和过电流而遭到损坏。
2、设备过载
电气系统一般情况下是按照电流的有效值进行选择和使用的。设备在稳定的电力系统环境下都可以正常运行。但是，谐波电流的出现使设备的附加损耗增加，可能导致尖峰电流的需要不能被满足，进而造成设备过载的现象，设备的寿命也会因此受到很大影响。据有关部门调查，设备的使用寿命会随着电源电压畸变程度的加大而缩短，且当这个畸变程度达到10％，明显降低。
3、增大损耗
谐波的存在会使线路和设备的损耗加大。在电力系统中，当谐波电流出现在负荷电流中时，会产生谐波电流总是大于基波电流的现象，这样造成所有导体中被谐波电流流过的都会产生额外的热量，进而使设备及线缆中的附加温度也随之升高。同时，介质损耗会随着频率的提高而明显增加，而且由于涡流的作用和焦耳效应，谐波电流会使电动机、电容器、变压器等设备增加一定的附加的铜和铁的损耗，也因此产生过热或局部过热的现象，这也大大增加了设备的损耗，使设备寿命减少。
4、其他不良影响
谐波的存在还会造成其他很多不良影响。
1）误跳闸和停电。电气系统的断路器易受谐波引起的尖峰电流的影响，断路器保护装置会在谐波分量较大时，发生误跳闸，造成停电现象，这不仅使系统无法正常工作，而且还会使系统重新启动时所需的时间内导致的物质损失增加。
2）干扰敏感负荷。,谐波会在高次谐波的频率接近载波频率时对邻近的通信系统产生干扰，轻者会产生噪声，使通信质量降低，重者则会导致信息的丢失，使通信系统的工作无法正常进行。
3）引起测量误差
工作中一般使用的感应式电能表当频率特性偏离50Hz时会出现误差，且偏离越远，误差越大，因为它是根据工频正弦电压波形设计的。在高频段，电磁型仪表误差也较大。
三、抑制谐波的方法
输配电系统的设计是在恒定频率并且电压及电流波形都为正弦波的条件下进行的。晶闸管、电弧炉、整流器等非线性负载连接到系统时就会导致大量谐波电流的产生从而使系统电压和电流发生畸变。一下几个方法可以在一定程度上抑制谐波。
1、 开发新型变流器
电力电子装置是主要的谐波源，针对此谐波源不仅可以采用补偿装置对其谐波进行补偿，还可以通过开发新型变流器来抑制谐波的产生。
2、 改进电气系统设计
设计电气系统时应充分考虑谐波产生的影响，并做出相应的设计，采用各方法来限制谐波的传播。
1）调整非线性负荷的连接位置
通过对谐波的描述，可以看出：谐波经过的供电线路的阻抗的减少会减小畸变电压对电气系统的影响。所以，如果不考虑其他经济因素，将非线性负荷尽可能地连接在系统上游，同时，线性设备采用成组配置且不与其他设备用同一母线供电。
2）安装电抗器
电容器组和变频控制回路上谐波抑制电抗器的安装可以增强对高次谐波的抑制，进而产生稳定电流。
3、 滤液
虽然电气系统设计的改进可以达到限制谐波的目的，却不可能完全预防。因此，应采用改进电气系统设计与滤波措施想结合的措施。下面介绍无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器三种。
1）无源滤波器
安装电容器组以改善功率因数的方案一般不宜在谐波含量较少的电气系统中使用，因为此种情况下，电容器组与电力网会形成并联谐振，进而放到谐波电流，这样会使电压和电流发生更大程度的畸变。所以，遇到系统中谐波较少的情况时应将改善功率因数的电容器组串接到调谐电抗器上。也就是由电容器和调谐电抗器串联组成该电容器组，并将使此回路的串联谐振频率低于最低次谐波。这样能使其呈现电容性，进而通过提供无功电流来改善功率因数。
2）有源滤波器
有源滤波器通过在工作时主动注入一个电流，精确地对负荷产生的谐波电流进行补偿，就会得到一个标准的正弦波。有源滤波的工作是通过数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。由于设备和供电系统是并联工作的，因此它只能控制谐波电流而不能控制基波电流。假如被过滤的谐波电流大于滤波器的容量，它就只能对谐波进行一定程度的限制并纠正部分波形。
3）混合滤波器
混合滤波器是将有源滤波器与无源滤波器相结合，集中这两种滤波器的优点，既可以减少有源滤波器的容量，又可以弥补无源滤波器的缺点，且在大范围的功率和性能水平下仍然适用。
4、采用特殊联接方式的变压器
减少谐波对系统的影响还可以根据变压器联接方式的特点并采用某种特点的联接方式，这样就可以减少特定的谐波，进而达到抑制谐波的目的。
四、总论
非线性电力设备的广泛应用使配电系统中谐波问题日益严重，既损坏电力设备，加速绝缘材料的老化，又会对电视系统、计算机等电子设备的工作产生影响，进而使人们的生活受到干扰。了解了谐波产生的原因以及谐波的特性，我们就可以采用相应的抑制措施，使谐波对设备的影响降到最低，进而延长设备使用寿命。与此同时，配电系统波动减少，供电质量也得到提高。总之，对谐波的抑制，首先应该考虑谐波源本身及其附进区域，并采取针对性措施。另外，谐波的特性受谐波源的影响，所以，具体情况应具体分析，并采用相应的抑制措施。
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