電網元件的頻率特性

1　諧波

對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。其頻率范圍一般為2≤n≤40。

2　諧波源

向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，針對天津港這一特定供電環境而言，經天津電科院測試，主要的諧波源是采用交-直-交及變頻調速的碼頭機械，這些設備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網參數無關，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產生的諧波次數與其電路形式有關，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發脈沖不對稱或非穩定工作狀態下，上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算最有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。

當電網接有多個諧波源時，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網。但當各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘余分量(最多可達20%)進入電網。

3　諧波傳輸

對于多電壓等級的電網，其諧波的特點是諧波電流由低壓側流向高壓側，其大小基本上與高壓側參數無關，可視為恒流源。諧波電壓由高壓側傳輸到低壓側，可視為恒壓源。在進行諧波分析時，就是根據這個原則構造電網的諧波等效電路。

3.1　電網元件的頻率特性

在諧波頻率范圍內，由于渦流和漏磁場作用，電網元件的諧波參數要考慮長線效應，即變壓器和導線的等效電阻R隨頻率的上升而增加，等效電感L隨頻率的上升而降低。電纜、導線和電容器的電容C基本不隨頻率變化而保持恒定。負載阻抗與頻率的關系依負載的不同而異。

3.2　電網等效電路

電網可以由電網各元件的諧波參數Rn、In和Cn組成等效網絡。三相對稱電網的等效電路圖通常采用單相表示。根據等效電路計算各頻率下的節點導納矩陣Yn，求出阻抗Zn，計算諧波電壓Un=ZnIn。

4　諧波限值

為使電網諧波電壓保持在允許值以下，必須限制諧波源注入電網的諧波電流量。大多數工業發達國家相繼制定了電網諧波管理的標準或規定。諧波管理標準的制定是基于電磁相容性的原則，即在一個共同的電磁環境中，電氣設備既能正常工作，又不得過量地干擾這個環境。

我國已于1993年頒布了限制電力系統諧波的國家標準《電能質量:公用電網諧波》(GB/T14549-93)，規定了公用電網諧波電壓限值和用戶向公用電網注入諧波電流的允許值。

5　諧波危險

諧波增加電氣設備的熱損耗，干擾其功能甚至引發故障。另外諧波可對信息系統產生頻率耦合干擾。

5.1　電動機

諧波電壓在電動機短路阻抗上產生的諧波電流和電動機負序基波電流I一起使設備產生附加熱損耗，并且在電動機起動時容易發展成干擾力矩。諧波電流和負序基波電流有效值之和一般不得大于電動機額定電流Ie的5%～10%。

5.2　電容器

諧波可使電容器過流發熱。有關規程規定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流(Ic=CUn)。位于諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊制造。

5.3　電子裝置

諧波電壓可使晶閘管觸發裝置發生觸發錯誤，甚至導致設備故障。諧波也會對電網音頻控制系統和計算機產生不良影響。

5.4　通訊系統

在2.5kHz以下導線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特別是較高次諧波會對通訊及信息處理設備產生干擾。

6　諧波抑制

將三相橋式電路的脈動數從6提高到12，可消除5次、7次諧波。將多個諧波源接于同一段母線，利用諧波的相互補償作用也可降低電網諧波含量。

當諧波量超出規程允許值或者電網在諧波范圍內有諧振時，通常設置單調諧濾波器吸收特征諧波。對于13次及以上的諧波，可設置一個高通濾波器。濾波回路也會吸收電網原有諧波并可能導致過負荷。一般通過調整失諧率，降低品質因數或者通過附加電子裝置控制電流值來避免過負荷。電容器可通過串聯電抗器形成諧波阻塞回路，以防止電容器諧波過負荷。一般將串聯諧振頻率定在250Hz以下。

7　電網中含有諧波情況下的無功補償

7.1　對原有變流器負荷的補償

當電網接有諧波源負載(例如變流器等)時，不能將補償電容器直接接于電網，因為電容器與電網阻抗形成并聯諧振回路，在對諧振頻率進行估算時，可以根據電網短路功率Sk"和電容器基波補償容量Qc1計算Vr=F(Qcl/Sk")。

在5次諧波頻率下電網具有諧振，并聯阻抗Xp大大升高，由諧波源發出的5次諧波電流流入諧振回路后，會產生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導致電壓波形發生畸變。在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發出的電流的數倍，即諧波放大，此時變壓器和電容器承受大于正常情況的負荷，特別是電容器，長期運行于過負荷狀態，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據電網阻抗和電容器容抗預先計算出并聯諧振頻率，調整電容器容量配置，使并聯諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實際的電網阻抗不為常數，而時常處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當電容器分組調節運行時，情況更為復雜。

當需要對接有諧波源設備的電網進行補償時，必須采取技術措施，將并聯諧振點移到安全位置，而實踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯電抗器。

7.2　電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路，在諧振頻率下呈現出很低的阻抗(理論上為0)。如果串聯諧振頻率與電網特征諧波頻率一致，則成為純濾波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯諧振頻率通常低于電網的最低次特征諧波頻率，即設定為基波頻率的3.8～4.2倍。