1.概述

目前，電網(wǎng)中諧波干擾大量涌現(xiàn)，諧波問題日趨復(fù)雜，因此這方面課題也越來越受到研究者的重視。諧波的產(chǎn)生與近年來非線性設(shè)備的大量采用有很大關(guān)系，另外廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)變壓器和鐵芯電抗器也會(huì)產(chǎn)生諧波。國外經(jīng)驗(yàn)表明，各種非線性電力設(shè)備容量的增長率超過電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備容量的增長率【1】，這一事實(shí)說明諧波問題更加突出。諧波的存在會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)環(huán)境，對(duì)電力設(shè)備以及絕緣造成不利影響。比如，諧波會(huì)使電廠設(shè)備絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。國內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，受諧波影響而致?lián)p壞的電氣設(shè)備中，電力電容器占有*大比例【1】?，F(xiàn)在，金屬化膜電容器以其良好的自愈性能在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，因此，有必要了解諧波對(duì)金屬化膜電容器壽命的影響。本文將介紹電力系統(tǒng)中諧波以及它對(duì)金屬化膜電容器壽命的影響。

2.諧波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的源主要來自各種非線性用電設(shè)備，例如：電力電子裝置，電弧爐，家用電器，以及變壓器和鐵芯電抗器等。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，*主要的諧波源是電力變壓器的勵(lì)磁電流，其次是發(fā)電機(jī)，而在電力電子設(shè)備大量應(yīng)用之后，后者成為*主要的諧波源【2】。

在各種電力電子裝置中，整流設(shè)備所占的比重*大，目前，常用的整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，比如直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源電壓相位大體相同，因此基波功率因數(shù)接近于1，但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。除此之外，逆變器、直流斬波器的應(yīng)用也較多，這些裝置所需的直流電源主要來自整流電路，因而諧波問題也很嚴(yán)重。例如，圖1。A所示的整流器其直流側(cè)M、N點(diǎn)電壓和交流側(cè)A相電流波形如圖1。B【3】。可以看到交流側(cè)的電流是一段的梯形波，而直流側(cè)的電壓也含有紋波，這說明整流器在交流側(cè)和直流側(cè)都要產(chǎn)生高次諧波。

變壓器的諧波電流是由其勵(lì)磁回路的非線性引起的。加在變壓器上的電壓通常是正弦電壓，因此鐵芯中磁通也是按照正弦規(guī)律變化的，但是由于鐵芯磁化曲線的非線性，產(chǎn)生正弦磁通的勵(lì)磁電流也只能是非線性的，如圖2。圖中勵(lì)磁電流已經(jīng)變?yōu)榧忭敳耍M(jìn)行傅立葉分析可知，其中含有全部奇次諧波，以3次為*大。

此外，還有許多諧波源，比如電視機(jī)、熒光燈、個(gè)人計(jì)算機(jī)等，它們雖然單臺(tái)功率很小，但其龐大的數(shù)量所帶來的諧波污染也是十分嚴(yán)重的。

3.諧波對(duì)電力設(shè)備以及絕緣的損害

電能質(zhì)量指標(biāo)包括頻率、電壓和波形【3】。交流電的波形是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)交流電的波形應(yīng)該是正弦波，但是由于電力系統(tǒng)中有諧波源的存在，使電壓和電流中都含有一些諧波分量。諧波的存在對(duì)電網(wǎng)是一種污染，它使電力設(shè)備所處環(huán)境變化，也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來損害，其危害主要有以下幾個(gè)方面：

（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。

（2）諧波影響各種電力設(shè)備的正常工作，比如，諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生附加損耗、機(jī)械振動(dòng)和過電壓；會(huì)使變壓器局部過熱；使電容器、電纜等設(shè)備絕緣老化、壽命縮短以至損壞。

（3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，加重上述（1）、（2）所帶來的危害。

（4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使電氣測量儀表不準(zhǔn)確。

由于諧波的存在會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成危害，因此把諧波分量降低到容許的范圍內(nèi)是保證電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要任務(wù)。我國對(duì)電網(wǎng)諧波電壓的限值如表1所示。

4.諧波對(duì)金屬化膜電容器老化的影響

金屬化膜電容器已大量應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，在很多情況下，比如作為KYTBB并聯(lián)成套裝置的無功補(bǔ)償或者作為濾波器消除諧波，它都是在諧波干擾下運(yùn)行，因此，研究諧波對(duì)金屬化膜電容器壽命的影響十分重要。

具有諧波分量的試驗(yàn)電壓U可由式（1）表示：

U（T）＝UM【SIN（ωT＋ψ）＋αSIN（HωT）】（1）

式中，ψ為基波與諧波的相位差，H為諧波次數(shù)，α為諧波的峰值系數(shù)（即諧波峰值與基波峰值的比值）。

諧波的存在會(huì)改變電壓波形，這不僅取決于諧波次數(shù)和諧波的峰值，而且與式（1）中基波與諧波的相位差ψ有關(guān)。

諧波會(huì)對(duì)電力設(shè)備絕緣產(chǎn)生加速老化效應(yīng)，文獻(xiàn)【4】在將諧波加于金屬化膜的實(shí)驗(yàn)中，得到了如表2的金屬化膜的壽命數(shù)據(jù)。

從表2可以看出，當(dāng)諧波改變電壓波形使峰值增大時(shí)（3次諧波在ψ＝180°、5次諧波在ψ＝0°時(shí)電壓峰值*大），膜壽命會(huì)顯著減小，可見，電壓峰值對(duì)金屬化膜的壽命有較大影響。

5.諧波影響金屬化膜電容器的主要因素

文獻(xiàn)【5】對(duì)KYLBC低壓自愈式電容器在室溫下進(jìn)行了老化實(shí)驗(yàn)，目的是要找出諧波影響金屬化膜電容器壽命的主要因素。實(shí)驗(yàn)采用了一個(gè)可以線性調(diào)至1000HZ電源，分12組進(jìn)行，每組電壓為基波與某次諧波分量的疊加。為了突出諧波的作用，加速老化，選擇諧波幅值大于基波幅值（這種情況在電網(wǎng)中也是存在的，比如并聯(lián)諧振可以將在換流器交流側(cè)的諧波放大幾倍）。

考核電容器的性能，通常以電壓均方根值為標(biāo)準(zhǔn)，國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定金屬化膜電容器應(yīng)能在工頻1.1倍額定電壓下長期運(yùn)行，因此電壓均方根值的大小顯然是壽命的影響因素之一。此外我們也可以從表3中看出電壓峰值對(duì)壽命的影響，比如：第1組和第3組的電壓均方根值相同，但是第1組的電壓峰值比第3組的大的多，導(dǎo)致壽命明顯減少，第2組和第6組、第7組和第8組都表明電壓峰值對(duì)加速電容器老化的顯著影響。同時(shí)也可以從表中看到電壓波斜率對(duì)壽命的影響，如第1組和第5組，電壓均方根值和峰值均相同，但體現(xiàn)電壓波斜率的IRMS（I＝C×DU／DT）不同，也會(huì)導(dǎo)致壽命的不同。電壓波斜率越大，波形越尖銳，電容器壽命也就越短，同樣第3組和第9組的比較也證明了這一點(diǎn)。因此，可以歸納出諧波影響金屬化膜電容器壽命的三個(gè)因素：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。而且，進(jìn)一步的研究表明，這三個(gè)因素中，電壓峰值的影響*大，均方根值的影響次之，而電壓波斜率的影響*小【4】。

6.結(jié)論

（1）隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題日趨嚴(yán)重，諧波的存在會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成損壞，加速絕緣老化。

（2）諧波疊加后的電壓峰值對(duì)金屬化膜電容器老化有很大的影響，研究表明，對(duì)于金屬化膜電容器，諧波對(duì)其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。其中峰值對(duì)它壽命的影響*大。