在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和運(yùn)輸部門(mén)中，非線性電力負(fù)荷在大量增加。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管換流和變頻技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。例如：冶金、化工、礦山部門(mén)大量使用晶閘管整流電源；工業(yè)中大量使用變頻調(diào)速裝置；電氣化鐵路中采用交流單相整流供電的機(jī)車；高壓大容量直流輸電中的換流站；家用電器（電視機(jī)、電冰箱、空凋、電子節(jié)能燈）等等。煉鋼電弧爐的容量不斷擴(kuò)大，單臺(tái)容量由過(guò)去兒噸發(fā)展到幾百噸，相應(yīng)的電爐變壓器容量也由幾個(gè)兆伏·安發(fā)展到幾十甚至一二百兆伏·安。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧和接觸焊設(shè)備、礦熱爐、硅鐵爐、中頻爐等也均屬非線性電力負(fù)荷。
對(duì)電力設(shè)備的影響
1）對(duì)電容器的危害
當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí),投入電容器后其端電壓增大,通過(guò)電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器,允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對(duì)于全膜電容器,允許有諧波時(shí)的損耗功率為無(wú)諧波時(shí)的1.43倍。如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會(huì)使電容器過(guò)電流和過(guò)負(fù)荷,損耗功率超過(guò)上述值,使電容器異常發(fā)熱,在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí),可能使電網(wǎng)的諧波加劇,即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖項(xiàng)波形,尖頂電壓波易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強(qiáng)度大,對(duì)絕緣介質(zhì)能起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。一般來(lái)說(shuō),電壓每升高10% ,電容器的壽命就會(huì)縮短1 /2左右。再者,在諧波嚴(yán)重的情況下,還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。
2）對(duì)電力變壓器的危害
諧波使變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。由于以上兩方面的損耗增加,減少變壓器的實(shí)際使用容量,或者說(shuō)在選擇變壓器額定容量時(shí),需要考慮電網(wǎng)中的諧波含量的影響。除此之外,諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大,變壓器的振動(dòng)噪聲主要是由于鐵心的磁滯伸縮引起的。隨著諧波次數(shù)的增加,振動(dòng)頻率在1 kHz左右的成分使混雜噪聲增加,有時(shí)還發(fā)出金屬聲。
3）對(duì)電力電纜的危害
由于諧波次數(shù)高頻率上升,再加之電纜導(dǎo)體截面積越大集膚效應(yīng)越明顯,從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大,使得電纜的允許通過(guò)電流減小。另外,電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián),提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián),在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。
4）對(duì)用電設(shè)備的危害
諧波對(duì)異步電動(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。尤其是負(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。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。
5）對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害
對(duì)于配電用斷路器來(lái)說(shuō),全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱,同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測(cè)峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。對(duì)于漏電斷路器來(lái)說(shuō),由于諧波泄漏電流的作用,可能使斷路器異常發(fā)熱,出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。
4.3.2 對(duì)繼電保護(hù)的影響
電力系統(tǒng)諧波會(huì)改變繼電保護(hù)設(shè)備的工作特性。由于不同類型繼電器的設(shè)計(jì)性能和工作原理不同,諧波的影響程度也不同。
1）諧波對(duì)于電磁型繼電器的影響不大,在諧波含量<40%時(shí),其整定值誤差將≤10%。但是在動(dòng)態(tài)情況下會(huì)有很大影響。對(duì)電流繼電器而言，諧波存在時(shí),將引起保護(hù)拒動(dòng);對(duì)電壓繼電器而言,當(dāng)含有諧波的畸變電壓作用于繼電器時(shí),動(dòng)作值總是比基波時(shí)的整定值要大,因而對(duì)過(guò)電壓繼電器可能會(huì)拒動(dòng),對(duì)欠電壓繼電器卻又可能會(huì)誤動(dòng)。如在投切空載變壓器時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波含量很高的勵(lì)磁涌流, 高次諧波分量(主要是2 次諧波) 會(huì)造成繼電器誤動(dòng)作而使斷路器跳閘。
感應(yīng)型繼電器的可動(dòng)部分慣性較大, 動(dòng)作速度慢, 諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)其影響并不嚴(yán)重。
整流型繼電器的主要特點(diǎn)是將輸入交流量進(jìn)行整流,或者將幾個(gè)輸入交流量組合后進(jìn)行整流,繼電器的動(dòng)作特性取決于整流后的電壓信號(hào)(或電流信號(hào))及其動(dòng)作判據(jù)，在某些情況下,如輸電線路發(fā)生接地短路時(shí),由于電流中諧波分量比較大,會(huì)導(dǎo)致整流型保護(hù)裝置拒動(dòng)。
靜態(tài)保護(hù)所采用的繼電器包括通稱的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器,主要由無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電子器件構(gòu)成。由于在抗干擾和消除諧波影響方面具有較好的有效性, 靜態(tài)保護(hù)已日益受到人們的關(guān)注。對(duì)于按相位比較原理構(gòu)成的保護(hù)裝置(如高頻相差保護(hù)和差動(dòng)保護(hù)), 當(dāng)波形出現(xiàn)諧波畸變時(shí),過(guò)零檢測(cè)易于出錯(cuò),從而造成保護(hù)不正確動(dòng)作。例如在相差保護(hù)中,短路時(shí)產(chǎn)生的直流分量與高次諧波分量疊加的結(jié)果,使半波比相器有輸出,從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。
4．3．3對(duì)通信的干擾
諧波通過(guò)電磁感應(yīng)干擾通信。通常2000～5000Hz的諧波引起通訊噪聲，而 1000Hz以上的諧波導(dǎo)致電話回路信號(hào)的誤動(dòng)。諧波干擾的強(qiáng)度取決于諧波電壓、電流、頻率的大小以及輸電線和通信線的距離、并架長(zhǎng)度等。
4．3．4對(duì)電度計(jì)量及常用儀表指示的影響
研究證明，感應(yīng)式電度表對(duì)高次諧波有負(fù)的頻率誤差，而電子式電度表的頻響特性一般較好。但由于諧波功率在諧波源負(fù)荷（如整流器）中和基波功率流向相反，“因此對(duì)這類用戶電度計(jì)量將偏??；反之，對(duì)于一般線性負(fù)荷，電度計(jì)量大體上等于基波和諧波電度之和。故諧波電度增加了這些用戶的電費(fèi)支出。
在電網(wǎng)正常條件下，諧波含量不太大（電壓總畸變一般不大于 5％）時(shí)，各型常用儀表的指示，大致可以與儀表的精確等級(jí)相符。但在嚴(yán)重畸變（電流畸變率有時(shí)很大）時(shí)誤差將變大（一般針對(duì)平均值響應(yīng)的儀表，隨著高頻成分增加，對(duì)同一有效值的指示會(huì)明顯下降）。舊式電磁系儀表頻率特性最差；電動(dòng)系儀表頻率特性較好；而數(shù)字式測(cè)量?jī)x表的指示一般具有精度高、頻帶寬、不受波形影響等優(yōu)點(diǎn)。
4．3．5對(duì)電網(wǎng)損耗的影響
諧波在電力系統(tǒng)和用戶電氣設(shè)備上要造成附加損耗。諧波功率本身可以說(shuō)完全是損耗，從而增大了網(wǎng)損。研究指出，若諧波電壓和電流都控制在一般標(biāo)準(zhǔn)范圍時(shí)，則可估出非線性用戶注入電網(wǎng)的諧波功率和其用電負(fù)荷之比是在0.1％這個(gè)數(shù)量級(jí)，這和某些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相符。但若諧波過(guò)大或發(fā)生諧振，則損耗將大大增加。若一個(gè)總負(fù)荷 5000 兆瓦的大電網(wǎng)，饋供各類非線性負(fù)荷共 1000 兆瓦，后者注入電網(wǎng)的諧波功率平均為0.2％，則總的諧波損耗平均為2兆瓦，年損失電量達(dá) 1752萬(wàn)千瓦時(shí)。因此諧波對(duì)網(wǎng)損的影響不能忽視。
