低压配电网电力谐波的危害及对电气测量仪表的影响

谐波的主要危害

随着低压电网中谐波污染的日益严重，常常造成一些设备无法正常工作，甚至出现严重的事故。为此，许多国际组织包括国际电工委员会(IEC)及电气和电子工程师协会(IEEE)专门组织了调查组，就“谐波对设备的影响”进行了广泛的调查，调查发现，危害主要集中在两方面:①使设备损耗加大、温升升高、寿命减小。②使设备受到干扰，产生误操作。

对各类设备，其危害具体表现如下:

1、容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生串/并联谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至烧坏。据统计，由于谐波问题引起的电容器故障占电容器总故障率的71-83%。

2、使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，如果与机械设备的共振点相近则会产生机械共振、损坏设备。

3、谐波电流使输电电缆损耗加大，输电能力降低。对容性电缆线路，谐波使绝缘加速老化、泄漏电流增大，严重的甚至放电击穿损坏。对三相四线制的供电线路，谐波特别使3次谐波，使中线电流过大损坏。

4、测量设备如电压表、电流表、电度表等受谐波的影响造成测量误差，严重时可达到20%。

5、使一些保护设备误动作，如继电保护、保险丝等。

6、对电子设备的影响：

①很多过零检测以基波频率为准的设备，因谐波的影响造成过零误动作。

②半导体器件常常在电压的过零点动作，以减少电磁干扰和闪变电流，谐波影响了正确的开关动作。

③电压的突变造成很大的dv/dt，也影响了一些电子设备，造成设备的损坏或误动作，如很高的dv/dt会使晶闸管导通。

④非整数和超低频谐波使一些视听设备受到影响。

⑤电压峰值点的变化影响了电视及计算机画面的大小和明暗变化。

⑥使计算机自动控制设备受到干扰而造成程序运行部正常。

7、谐波造成照明设备寿命缩短，如果由于谐波的影响而电压升高5%,则照明设备的寿命缩短47%。

8、对通讯电路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，由于人对1kHz声音最敏感，因此1kHz左右的高次谐波对电话通讯设备的影响比基波大得多

9、谐波电流流过变压器线圈，增大附加损耗，时线圈发热、绝缘老化加速、寿命缩短，并发出噪音

10、使大功率电机和发电机的励磁系统受到干扰而影响基正常工作。

电容器对电网谐波电流的放大

1、电容器对谐波电流的放大作用

在低压配电网系统中，由于负载补偿的需要，广泛安装使用无功补偿装置，多数采用并联电容器的方式。这样同时带来了一个附加的问题:由于电容器对电网的投入，使得电网的谐波电流放大。

在电容器的运行方面，谐波电流的存在会使电容器运行电流有效值加大，温升增高，甚至因过热而使电容器缩短寿命或损坏;另外谐波电压叠中于基波电压之上作用于电容器，可能使其在运行中产生的局部放电涌熄灭，进而使电容器损坏。

对于电网来说，电容器对电网谐波电流的放大是一个不容忽视的问题。电容器对谐波电流一般放大2~5倍，谐振时可达30倍以上。因此，必须认识电容器对谐波电流的放大作用，合理配置电容器和电抗器，避免电气参数匹配发生谐振，控制其谐波电流放大，才能保证电容器、电抗器和整个电网以及在电网中运行的用电设备的安全。

2、电容对谐波电流放大的机理

在电力系统某一有谐波电流注入的母线上接入并联电力电容器时，其电力系统的简化图如1所示，图2为其电流分布示意图。图中设谐波源的h次谐波电流为Ih，进入电力系统的谐波电流为Ish，进入电容器的谐波电流为Ich，Xc为电容器的基波电抗器的基波电抗。电力系统基波的等值阻抗为Zs=Rs+jXs，h次谐波阻抗为Zsh=Rsn+jXsb。进入电力系统和进入电容器的谐波电流的的分配将因谐波次数的不同而不同，可能出现Ish>Ih，也可能出现Ich>Ih时，称为系统谐波电流放大，或称为谐波电流放大;当Ich>Ih时，称为电容器谐波电流放大;当Ish>Ih和Ich>Ih同时发生的时候，称为谐波电流严重放大。

3、谐波功率和谐波对常规电气测量仪表的影响

谐波功率基本上完全属于功率损耗，而不提供任何有益的功效，相反地却要缩短设备寿命。从电力的使用价值来看，基本上只是基波电压、电流和功率能产生用户所需有用功效的，谐波不但无用，还要降低各类电力设备的基波电压、电流和功率的允许极限值。

谐波对其常规电气测量仪表的影响

1、当按照传统观念来观察谐波对电气测量仪表的影响时，完全是从主观上给仪表下的定义出发。例如给交流电仪表功能下的定义是:反映被测量的综合有效值，对电压和电流指的是方均根值(ms);对功率则指的是电压和电流瞬时值之积(代数值)在一个基波周期内的平均值。这等价于频域中仪表指示的是：

这样就认为不受谐波影响的仪表应该具有的理想频率特性是谐波量对仪表转动部分产生的转矩与等量的基波量产生的转矩相等。同时也就认为，仪表的频率特性愈差(一般认为，相等谐波量的频率愈高，对仪表产生的转矩便愈小)，谐波对它引起的误差也愈大。

但对仪表的上述要求与用户对仪表的实际要求并不相同(电工理论实验的测试可能是例外)。从电气量的效益出发，为了观察电动机是否具有足够的转矩和出力，电力系统是否具有足够的稳定性和电容器是否能提供必需的无功功率，只要求仪表指示出基波电压和基波电流即可，所以，在波形畸变的条件下，频率特性愈好的仪表，其指示值愈不准确。另一方面，从谐波对设备工况的制约作用来看，还要求仪表指示出峰值电压、峰值电流、各次谐波的畸变率或综合的畸变率。对于功率计量来说，从动能经济、有功和无功电力平衡以及发送电设备的稳定功率极限等出发，都只要求指示基波功率。但为了研究谐波线损和潮流，则还要求另外指示谐波功率。

从电力工作者的测量目的来看，在很多情况下只要求仪表反映基波量，而在测定设备工况时，还需测出峰值量和畸变量。因此，仪表具有理想的频率特性并不都符合人们的需要，有时甚至和测量宗旨背道而驰。

当波形畸变率符合国标GB/T14549-93《公用电网谐波》时，被测量的综合有效值与基波有效值之差一般不超过3%(对电流)或0.2%(对电压)。因此，无论从哪种观点来看，谐波引起的仪表指示误差都不大，各种型式仪表的指标大致可与仪表的精确等级相符(指普通的电压表和功率表，以及准确度较差的电流表)。

2、仪用互感器的频率特性

仪用互感器不仅要满足测量基波的要求，也要满足测量谐波的要求。因此，理想的互感器二次侧输出量的波形应该严格地和其一次侧输入量相符。所以，要求互感器应具有尽可能好的频率特性，亦即对谐波的响应和对基波的响应要尽可能相同。

0.5级或精确度更好的电磁式电压互感器，对于2kHz以下的频率具有较好的频率特性，可以满足一般测量需要。对于频率很高的谐波量，电压互感器二次侧的输出值会明显地小于一次侧输入值除以变比之商，从而相应地引起输出波形失真。其主要原因是频率愈高，互感器的漏阻抗和涡流的影响愈大。就测量暂态过程来说，除了高频分量失真外，由于直流分量的衰减在互感器一次侧和二次侧不一致，还可引起互感器发生磁饱和和相应地增加测量误差。为了精确检测高频分量和瞬变过程，可以不用互感器而利用电阻分压器、无感分流器或其他特殊措施。

在电压等级很高的电网中(110kV以上)，常常装设电容式电压互感器，其价格较低但频率特性较差，尤其是测量谐波时的角误差较大，故不能准确地测量谐波功率。引进的电容式电压互感器中，某些型号对500Hz以下的谐波电压也有较好的幅频特性，但角频特性仍不好。尚有个别型号的电容式电压互感器，其末级电容所并接的电磁式电压互感器的设计磁通密度偏高，当电网电压接近额定电压时，互感器本身产生3次谐波电压，并且出现在开口三角绕组上，当电网电压超过额定时，开口三角绕组上的3次谐波电压能达到lOV左右，这样的电压互感器必须更换。

电流互感器的频率特性一般较好，工程上可以满足5kHz以下的谐波测量要求。

结束语

随着社会的的发展和技术的进步，各种新型的用电设备在社会的各个领域得到的广泛的使用，由于设备运行所要求的高安全性和精确性，对电能的使用和需求产生了更高的要求，但非线性负荷大量使用却带来了严重的电力污染，给系统安全运行和供用电设备造成影响及危害。为此，本文从实际出发，概述了电力谐波对电网及设备的危害，详细论述了电力谐波对测量仪表的影响。

原标题：低压配电网电力谐波的危害及对电气测量仪表的影响