近幾年來(lái)，港口供電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題已引起業(yè)界人士的普遍重視，特別是隨著港口建設(shè)的迅速發(fā)展，港口規(guī)模不斷擴(kuò)大，港口用電設(shè)備中，大量采用了硅整流設(shè)備和可控硅變流設(shè)備，以及在堆場(chǎng)照明中普遍采用的放電類(lèi)電光源設(shè)備。這些非線(xiàn)性負(fù)載能產(chǎn)生各次的高次諧波，能使變壓器、電動(dòng)機(jī)等發(fā)熱，也能使回路過(guò)載發(fā)熱，斷路器頻繁跳閘，甚至引起火災(zāi)。這會(huì)嚴(yán)重降低港口的供電質(zhì)量，因此，防治諧波，降低損耗，提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量是非常重要的。

1、諧波的產(chǎn)生

眾所周知，我們的供電系統(tǒng)和用電設(shè)備都被設(shè)計(jì)成按正弦波形運(yùn)行，其基波頻率我國(guó)為50Hz。但由于供電系統(tǒng)中變壓器、整流設(shè)備、充氣電光源等大量非線(xiàn)性負(fù)載的存在，實(shí)際波形會(huì)發(fā)生畸變，產(chǎn)生一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量，這些分量就被稱(chēng)為諧波。

1.1在港口供電系統(tǒng)中主要是變壓器產(chǎn)生諧波。

由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線(xiàn)的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大。

1.2在港口用電設(shè)備中主要是整流器和逆變器產(chǎn)生諧波。

因?yàn)樵谥缓€(xiàn)性元件(電阻、電感及電容)的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流和施加的電壓成正比。所以如果所加電壓是正弦的話(huà)，流過(guò)的電流就是正弦的，也就不存在諧波。當(dāng)電流流過(guò)與所加電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，就形成非正弦電流，也就產(chǎn)生了諧波。

整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用是將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。大功率整流器——逆變器廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速及交-直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速等領(lǐng)域。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無(wú)窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)式展開(kāi)周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波(50Hz基波)外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說(shuō)電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能(近30%)，但如前面分析，變頻調(diào)速過(guò)程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染。

由于變流設(shè)備功率大(30kW～20000kW)、數(shù)量多，因此,它對(duì)港口企業(yè)的供配電系統(tǒng)的影響也就極大。

1.3氣體放電類(lèi)電光源產(chǎn)生諧波

我國(guó)港口企業(yè)照明基本采用氣體放電類(lèi)電光源,如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈。測(cè)量及分析氣體放電類(lèi)光源的全伏安特性可知,此類(lèi)光源的非線(xiàn)性非常嚴(yán)重,有負(fù)的伏安特性。氣體放電類(lèi)電光源使用時(shí),必須與電阻或電感串聯(lián),使其綜合伏安特性不再負(fù),才能正常工作,串聯(lián)的電阻或電感被稱(chēng)為鎮(zhèn)流器。其非線(xiàn)性極其嚴(yán)重,3次諧波含量占其基波含量的20%以上。由于其特性為對(duì)稱(chēng)奇函數(shù),只含有奇次諧波。它屬于電流源型諧波源。

氣體放電類(lèi)電光源由于數(shù)量巨大,其產(chǎn)生的諧波對(duì)供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也就十分巨大。在整流設(shè)備還未廣泛使用的時(shí)期,影響供配電系統(tǒng)的諧波主要是由此類(lèi)電光源產(chǎn)生。

1.4計(jì)算機(jī)及其他辦公設(shè)備產(chǎn)生諧波

計(jì)算機(jī)及其他辦公設(shè)備的電源基本上都是開(kāi)關(guān)電源,因此都會(huì)產(chǎn)生諧波。由于此類(lèi)設(shè)備的大量使用,對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾也就十分嚴(yán)重。

2、諧波的影響

由于港口企業(yè)產(chǎn)生諧波的設(shè)備比較多，諧波使港口的生產(chǎn)面臨嚴(yán)重的影響。

2.1諧波對(duì)輸電線(xiàn)路的影響

如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線(xiàn)路功耗增加。當(dāng)注入系統(tǒng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線(xiàn)路會(huì)造成絕緣擊穿。尤其是電纜線(xiàn)路，如今港口供電系統(tǒng)中，幾乎都采用電纜供電，電纜線(xiàn)路對(duì)地電容比較大，而感抗較小，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

2.2諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱(chēng)性負(fù)荷的變壓器而言，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。諧波電流，特別是3次(及其倍數(shù))諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對(duì)Y形連接中性線(xiàn)接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線(xiàn)的3次諧波電流會(huì)使中性線(xiàn)發(fā)熱。

2.3諧波對(duì)供電系統(tǒng)可靠性的影響

如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時(shí)，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響供電系統(tǒng)**。特別對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅港口供電系統(tǒng)的**、可靠運(yùn)行。

2.4諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

主要是增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱。同時(shí)負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。國(guó)際上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過(guò)額定電壓的2%，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。

另外電動(dòng)機(jī)中的諧波電流，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。

2.5影響或干擾測(cè)量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作

對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線(xiàn)電視、報(bào)警與樓宇自動(dòng)化等弱電設(shè)備，供電系統(tǒng)中的諧波通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，傳導(dǎo)則通過(guò)公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。

3、諧波的防治

為了減少諧波對(duì)港口供電系統(tǒng)的影響，從管理和技術(shù)上可采取以下措施：

(1)嚴(yán)格貫徹執(zhí)行有關(guān)電力諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)管理

1993年國(guó)家頒發(fā)GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定的注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值的用戶(hù)，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。

(2)采用三角形/星形接法的配電變壓器。

對(duì)于三角形/星形(△/Y)接法，不平衡和3N次諧波電流在一次繞阻循環(huán)流動(dòng)而不會(huì)傳到電源系統(tǒng)中去，從而不會(huì)使不平衡和3N次諧波電流影響整個(gè)電源系統(tǒng)。這種接法是配電變壓器中*常用的一種。所以《民規(guī)》4.3.3條提出：需要限制三次諧波含量者，宜選用接線(xiàn)為D，yn11型變壓器。

(3)裝設(shè)無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。在供配電系統(tǒng)中加裝電抗器與電容器組成的調(diào)諧濾波器，即可以補(bǔ)償無(wú)功功率又可以吸收諧波，從而減輕諧波對(duì)電氣設(shè)備的危害，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

(4)裝設(shè)有源濾波器

有源濾波器近年來(lái)發(fā)展很快，它可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的抑制諧波，并能補(bǔ)償大小和頻率都變化的諧波。根據(jù)電路組成方式和接入電網(wǎng)方式的不同，可分為電壓源型和電流源型，串聯(lián)型和并聯(lián)型。有源濾波器將成為未來(lái)諧波補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向，并將取代傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器。

(5)增加變流裝置的整流相數(shù)

使用和制造大型硅整流和可控硅裝置的企業(yè),在設(shè)計(jì)和使用時(shí),增加整流相數(shù)。將現(xiàn)在普遍使用的三相整流、六相整流和十二相整流發(fā)展到十八相整流和二十四相整流甚或更多相整流。這樣就使對(duì)供配電系統(tǒng)產(chǎn)生較大危害的3次、5次、7次諧波極大的減少,這是一種極好的治本方法。

(6)抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波

①在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只680μf250VAC的電容，(分別接在L-N，L-grond，N-grond上)這種方法可使電磁干擾電流降至原來(lái)的1/10，效果較明顯。

②變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。變流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一，可以采用增加變流裝置的相數(shù)，有效的消除幅值較大的低頻項(xiàng)，從而大大降低諧波電流的有效值。

(7)將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開(kāi)

將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開(kāi)。因?yàn)閯?dòng)力裝置的負(fù)荷變動(dòng)大，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的負(fù)荷小，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開(kāi)后，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的電源與動(dòng)力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過(guò)電源線(xiàn)的干擾。

4防諧波的設(shè)計(jì)原則

在港口供配電設(shè)計(jì)過(guò)程中，為減少諧波的產(chǎn)生，可采取下列方法：

(1)除低壓用戶(hù)外，公共建筑配電系統(tǒng)的接地保護(hù)應(yīng)盡量采用TN-S制，以減少諧波對(duì)接地線(xiàn)路的干擾。

(2)應(yīng)盡可能將非線(xiàn)性負(fù)載放置于配電系統(tǒng)的上游，以避免對(duì)線(xiàn)路下游的影響。

(3)諧波較嚴(yán)重且功率較大的設(shè)備，應(yīng)從變壓器出線(xiàn)側(cè)采用專(zhuān)線(xiàn)供電。

(4)諧波很?chē)?yán)重的配電系統(tǒng)中，功率因數(shù)補(bǔ)償電容器宜串接適當(dāng)?shù)碾娍蛊?，作為諧波抑制的輔助手段，并應(yīng)注意避免發(fā)生電網(wǎng)局部諧振。

(5)由晶閘管控制的負(fù)載或設(shè)備，宜采用對(duì)稱(chēng)控制，以盡可能使中性線(xiàn)導(dǎo)體上的諧波互相抵消。

 (6)當(dāng)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)配電系統(tǒng)的諧波難以預(yù)料時(shí)，宜預(yù)留必要的濾波設(shè)備空間。

5結(jié)束語(yǔ)

隨著港口非線(xiàn)性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，港口供電系統(tǒng)中諧波問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接或簡(jiǎn)介影響了港口的生產(chǎn)。

諧波問(wèn)題涉及供電部門(mén)、電力用戶(hù)和設(shè)備制造商，諧波問(wèn)題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，電力電子設(shè)備(特別一次設(shè)備)應(yīng)符合電磁發(fā)射水平，電子設(shè)備、電子儀器應(yīng)滿(mǎn)足電磁兼容性要求。

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