2.2 電力電纜
在導(dǎo)體中非正弦波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相較，則非正弦波會有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的，而這兩種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸和間隔。這兩種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致I2Rac損耗增加。

2.3 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)
諧波電流和電壓對感應(yīng)及同步電動(dòng)機(jī)所造成的主要效應(yīng)為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)效率降低，并影響轉(zhuǎn)矩。當(dāng)設(shè)備負(fù)荷對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變動(dòng)較敏感時(shí)，其扭動(dòng)轉(zhuǎn)矩的輸出將影響所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。例如: 人造纖維紡織業(yè)和一些金屬加工業(yè)。對于旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)備，與正弦磁化相比，諧波會增加噪音量。像五次和七次這種諧波源，在發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)上，可產(chǎn)生六次諧波頻率的機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)是由振動(dòng)的扭矩引起的，而扭矩的振動(dòng)則是由諧波電流和基波頻率磁場所造成，如果機(jī)械諧振頻率與電氣勵(lì)磁頻率重合，會發(fā)生共振進(jìn)而產(chǎn)生很高的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致機(jī)械損壞的危險(xiǎn)。

2.4 電子設(shè)備
電力電子設(shè)備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)備常常須靠電壓波形的過零點(diǎn)或其它電壓波形取得同步運(yùn)行。電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)。這兩點(diǎn)對于不同類型的電力電子電路控制是至關(guān)重要的。控制系統(tǒng)對這兩點(diǎn)(電壓過零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設(shè)備的干擾。計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，如可編過程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.5 開關(guān)和繼電保護(hù)
像其它設(shè)備一樣，諧波電流也會引起開關(guān)之額外溫升并使基波電流負(fù)載能力降低。溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。舊式低壓斷路器之固態(tài)跳脫裝置，系根據(jù)電流峰值來動(dòng)作，而此種型式之跳脫裝置會因饋線供電給非線性負(fù)載而導(dǎo)致不正常跳閘。新型跳脫裝置則根據(jù)電流的有效值(RMS)而動(dòng)作。保護(hù)繼電器對波形畸變之響應(yīng)很大程度取決于所采用的檢測方法。目前并沒有通用的準(zhǔn)則能用來描述諧波對各種繼電器的影響。然而，可以認(rèn)為目前在電網(wǎng)上一般的諧波畸變不會對繼電器運(yùn)行造成影響。

2.6 功率因數(shù)補(bǔ)償電容器
電容器與其它設(shè)備相較有很大區(qū)別，電容器組之容抗隨頻率升高而降低，因此，電容器組起到吸收高次諧波電流的作用，這將導(dǎo)致電容器組溫升提高并增加絕緣材料的介質(zhì)應(yīng)力。頻繁地切換非線性電磁組件如變壓器會產(chǎn)生諧波電流，這些諧波電流將增加電容器的負(fù)擔(dān)。應(yīng)當(dāng)注意的是熔絲通常不是用來當(dāng)作電容器之過載保護(hù)。由諧波引起的發(fā)熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的縮短。在電力系統(tǒng)中使用電容器組時(shí)，因其容性特點(diǎn)在系統(tǒng)共振情況下可顯著的改變系統(tǒng)阻抗。必需考慮系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流會明顯地高于在無諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。

2.6.1 諧波與并聯(lián)諧振
變速驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波電流，在經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。被放大之諧波電流流經(jīng)電容器可導(dǎo)致其內(nèi)部組件過熱。需注意的是，在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。

2.6.2諧波與串聯(lián)諧振
在上**電網(wǎng)系統(tǒng)電壓如發(fā)生波形畸變的情況下，由電容器組之電容和供電變壓器之短路電感形成的串聯(lián)諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器，串聯(lián)諧振可導(dǎo)致在變壓器的低壓側(cè)出現(xiàn)高的波形畸變。

2.6.3建議
不論何時(shí)，只要有非線性負(fù)載(直流驅(qū)動(dòng)器、換相器、UPS、及所有整流器)連接到母線上，而又打算在母線上連接電容器組，此時(shí)設(shè)計(jì)無功功率補(bǔ)償系統(tǒng)，一定要倍加小心。為避免在連接電容器組之系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，應(yīng)采用濾波或調(diào)諧式電容器組。

在那些電管部門對諧波量有限制的地方，通常安裝濾波電容器組是必須的，以滿足例如IEEE標(biāo)準(zhǔn)519-1992或Engineering Recommendation G5/3上標(biāo)明之要求。典型的濾波電容器組設(shè)置五次、七次、十一次諧波等3個(gè)濾波分支路。濾波分支路的數(shù)量取決于要吸收的諧波量和需要補(bǔ)償?shù)臒o功量。在某些情況下，甚至一個(gè)濾波分支路就可滿足電壓畸變之限制和目標(biāo)功率因數(shù)。為了設(shè)計(jì)濾波電容器組，應(yīng)對會產(chǎn)生諧波的負(fù)載進(jìn)行調(diào)查及整合，對既設(shè)工廠而言進(jìn)行實(shí)地諧波測量是*理想的方式。

根據(jù)IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)，單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。例如，某些母線在不加電容器的情況下由非線性負(fù)載所引起之單次諧波電壓畸變，測量值低于3%，那么就可以將任何電氣設(shè)備連接到此母線上而無須顧忌。然而，請注意，不論什么時(shí)候，只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上，就會出現(xiàn)特定的并聯(lián)和串聯(lián)諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合，諧波電流和諧波電壓就會被明顯放大。

在沒有諧波量限制的地方，可以使用調(diào)諧式電容器組。但是請記住，在此種情況下，諧波的主要成份都注入到上級電網(wǎng)。調(diào)諧式電容器組的典型范例，所需之段數(shù)則取決于負(fù)載功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)。設(shè)計(jì)調(diào)諧式電容器組時(shí)，通常須給出電壓畸變限制值。給出的低電壓典型值舉例如下:U3rd=0.5% ; U5th=5% ; U7th=5%。典型的調(diào)諧頻率是204Hz和189Hz，分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應(yīng)。與使用6%的電抗器相比，7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負(fù)載。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮電抗器鐵芯的線性度，使其涌流時(shí)以及在額定電壓畸變情況下不會出現(xiàn)飽和狀態(tài)。
當(dāng)設(shè)計(jì)無功電力補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，假如設(shè)計(jì)一個(gè)新商業(yè)大樓，如果不知道大樓將有什么樣的負(fù)載，通常較合理的作法是采用額定電壓高于系統(tǒng)電壓 (例如在400V系統(tǒng)采用525V電容器) 的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來負(fù)載會產(chǎn)生諧波時(shí)，僅須增設(shè)電抗器而不須更換電容器組。無論何時(shí)，只要懷疑電容器組周圍溫度可能會超出其允許的*高溫度上限值時(shí)，則建議在電容器配電盤內(nèi)加設(shè)冷卻風(fēng)扇。還要提請注意的是在采用調(diào)諧式或?yàn)V波電抗器的地方，一定要使用強(qiáng)迫冷卻方式，因?yàn)榕c電容器組相比，電抗器會產(chǎn)生更大的熱量。

3. 電力系統(tǒng)諧波諧振案例和解決方法
3.1 案例1
在一個(gè)相當(dāng)大的辦公大樓內(nèi)，發(fā)現(xiàn)許多電容器組因過熱而損壞，損壞的是連接在負(fù)責(zé)供電給計(jì)算機(jī)不間斷電源設(shè)備(UPS)變壓器之自動(dòng)功率因數(shù)控制電容器組上。

為找出損壞的原因，對諧波進(jìn)行了測量。測得的供電變壓器基波和諧波電流以及電壓的總諧波畸變率 (THD)。結(jié)果可知，當(dāng)兩段50KVAR投入后出現(xiàn)嚴(yán)重的并聯(lián)諧振，將30A的十一次諧波電流(由UPS產(chǎn)生的)放大到183A(相當(dāng)于大約10倍的放大系數(shù))，同時(shí)電壓的THD值也增加到19.6%。 當(dāng)2段50KVAR電容器組投入，電容器上電流的有效值(RMS)是364A，相當(dāng)于2.5倍的額定電流流經(jīng)電容器，這足以說明電容器損壞的原因。根據(jù)IEC831-1 (低壓電容器標(biāo)準(zhǔn))，電容器的容許電流是額定電流的1.3倍。

因?yàn)閺闹C波測量結(jié)果中可確認(rèn)在供電系統(tǒng)中存有諧振現(xiàn)象，因此重新設(shè)計(jì)了無功補(bǔ)償系統(tǒng)，并決定使用帶7%電抗器的調(diào)諧式電容器組。請注意，裝上調(diào)諧電容器組后，無論投入幾段皆可避免諧振，而且也不會放大任何諧波電流，為了驗(yàn)證此新設(shè)計(jì)，在*大非線性負(fù)載下對調(diào)諧電容器組進(jìn)行測試，結(jié)果證明諧波電流如期望般并無放大現(xiàn)象。

3.2 案例2
單線系統(tǒng)圖是從一個(gè)塑模公司的供電系統(tǒng)中取出的，這個(gè)固定式的150KVAR電容器組經(jīng)常故障。為了找出頻繁故障的原因，進(jìn)行了實(shí)地諧波測量，結(jié)果如圖9所示。測量得的電容器組有效電流值是371A，主要諧波分量是十一次諧波。測得的電容器有效電流相當(dāng)于額定電流的1.71倍，這樣的測量結(jié)果當(dāng)然能夠解釋為什么電容器總是出故障。由于總電壓諧波畸變率即使在不用電容器的情況下也高達(dá)8.1%。此公司現(xiàn)考慮采用濾波電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償，以保證所有用電設(shè)備皆有良好的供電質(zhì)量。

3.3 案例3
單線系統(tǒng)圖中電容器組是某家公司所購置的。此公司購置電容器組的決定是由于公司電力系統(tǒng)功率因數(shù)太差不符合要求被罰款所致。經(jīng)計(jì)算，總共需要400KVAR 來改善功率因數(shù)才能達(dá)到不被罰款的規(guī)定值。

在對電容器組進(jìn)行測量后可知，工廠供電用的500KVA變壓器稍有些過載，五次諧波電流為62A，是基波電流的9%。當(dāng)電容器組投入時(shí)，由于無功得到補(bǔ)償，基波電流降到492A，可是五次諧波電流卻被放大到456A，是基波電流的93%，總電壓畸變率增加到16.2%，此種供電品質(zhì)是負(fù)載所完全不能接受。因此，*后是將電容器組切離，并訂購新的調(diào)諧式電容器組進(jìn)行替換。

3.4 案例4
此案例中之測量主要的目的是要確定采用什么樣的無功補(bǔ)償系統(tǒng)才能改善功率因數(shù)，使其達(dá)到不被罰款要求值。從測量的結(jié)果可以看出，電壓發(fā)生了嚴(yán)重畸變，測得電壓之THD是12%。顯然，不帶電抗器的電容器組是不能使用的，由于較高的電壓畸變，所以決定使用濾波電容器組進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。

當(dāng)所有的濾波器都投入使用時(shí)，電壓THD從12%降到成為2%，該值被認(rèn)為是低電壓供電系統(tǒng)的很好的結(jié)果。還應(yīng)提請注意的是由于無功功率得到補(bǔ)償，基波供電電流出現(xiàn)了大幅度下降，大約下降520A。同時(shí)大量的諧波電流被有效吸收，供電電流達(dá)到了規(guī)定的諧波限定值。

3.5 案例5
取自一家大型造紙廠的供電系統(tǒng)的案例。該供電系統(tǒng)裝有一個(gè)10MVAR、20KV電容器組。電容器組經(jīng)常因過電流繼電器動(dòng)作而發(fā)生非正常跳閘。諧波測量顯示當(dāng)電容器組合閘時(shí)在20KV的母線上出現(xiàn)10.8%異常高的電壓畸變，五次諧波電流含量并高達(dá)135A。 當(dāng)切斷電容器組后，電壓畸變下降到1.2%，五次諧波電流降為6A。在此中壓諧振情況下，第五次諧波電流放大系數(shù)高達(dá)22。

對電容器組進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)將造紙廠直流驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的諧波電流考慮進(jìn)去。經(jīng)計(jì)算機(jī)對若干可能出現(xiàn)的電網(wǎng)情況進(jìn)行仿真后，證明加上五次濾波器是*佳方案。為應(yīng)付于電容器上可能升高之電壓，對原有的電容器組進(jìn)行修改。方法是再增加一個(gè)電容器組，與原有的電容器組串聯(lián)，并安裝一臺空心濾波電抗器。

3.6 案例6
當(dāng)公用電網(wǎng)在變電所使用不帶調(diào)諧電抗器的電容器組時(shí)，如果變電所供電給帶有產(chǎn)生諧波負(fù)載的工業(yè)用戶，中壓供電電網(wǎng)被認(rèn)為是符合標(biāo)準(zhǔn)的電壓畸變，就有存在諧振的可能性。

表示的是在某一變電所11KV母線上所測量的電壓波形，此變電所安裝的電容器組沒有配置調(diào)諧電抗器。由圖可見，由于諧振，電壓發(fā)生嚴(yán)重畸變，五次諧波電壓分量經(jīng)測量高達(dá)基本波的22.2%。如果此電壓供電給MV/LV變壓器，而此變壓器于低壓側(cè)接有電容器組，則電容器組之電容與變壓器之短路電感形成一串聯(lián)諧振回路而使電容器吸收大量諧波電流，而發(fā)生電容器過載。

3.7 案例7
是于一條供電給數(shù)家中、小型工廠的11.4KV供電母線上進(jìn)行20小時(shí)的電壓THD值測量，顯然地，公用電網(wǎng)上之電容器組導(dǎo)致了將工廠非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波放大。之所以對此母線的諧波進(jìn)行測量，是因在一個(gè)于低壓側(cè)裝有濾波電容器組的工廠經(jīng)常遭受非正常跳閘的困擾。諧波分析證明畸變主要是由五次諧波所造成，測量期間第五次諧波電壓的*大值達(dá)8.1%，超出了公用電網(wǎng)所規(guī)定之3%限定值，利用測得的畸變量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出低壓側(cè)濾波器的RMS電流，明顯地超過了五次濾波器電流繼電器的熱保護(hù)設(shè)定值，如果不采取措施消除11.4KV系統(tǒng)的諧振，則低壓側(cè)的濾波器應(yīng)改成帶6%或7%電抗器的調(diào)諧式電容器組，如此一來將導(dǎo)致較高的諧波電流流入公用供電系統(tǒng)，進(jìn)而惡化11.4KV的供電質(zhì)量。

3.8 案例8
是一個(gè)供電給7家工廠之變電站單線系統(tǒng)圖，變壓器TR1-TR6的負(fù)載部份為非線性負(fù)載，而變壓器TR7則僅為一般的AC負(fù)載。無功電力補(bǔ)償方式是用不帶電抗器的自控電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償。電容器組制造商被告知有幾臺變壓器上的好幾個(gè)電容器和熔斷器被燒壞，因此對諧波進(jìn)行了測量。特別注意的是變壓器TR7也由于20KV供電母線上的5%畸變而受到供電質(zhì)量低下的困擾。

在為工廠重新設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償系統(tǒng)的同時(shí)，決定應(yīng)讓在產(chǎn)生諧波的變壓器上對諧波進(jìn)行吸收，因此應(yīng)采用濾波器。根據(jù)每臺變壓器上的負(fù)載，設(shè)計(jì)濾波電容器組的無功功率，分支數(shù)量和調(diào)諧頻率。當(dāng)然，無需更換現(xiàn)有變壓器TR7的電容器組，因?yàn)檫@個(gè)變壓器只有線性負(fù)載。請注意，由于在變壓器TR1-TR6的低壓側(cè)的濾波器降低了諧波注入20KV電網(wǎng)，使諧波電壓畸變由5%降到0.8%，因此，變壓器TR7的供電質(zhì)量變的很好并控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論
由大部份案例中可發(fā)現(xiàn)，在公共電網(wǎng)中之諧波畸變水平達(dá)到所規(guī)定臨界值以前，諧波問題便已明顯地出現(xiàn)在工業(yè)工廠或商業(yè)用戶中。在用戶系統(tǒng)中，若使用不串接電抗器之電容器組并造成諧振情況，則于裝有電容器組之母線上將導(dǎo)致高電壓畸變。用戶設(shè)備中一些諸如電動(dòng)機(jī)過熱，變壓器過熱及電子設(shè)備誤動(dòng)作的事情都會發(fā)生。因此對電力用戶而言，迫切需要的是了解可能發(fā)生之諧波問題，并妥善處理使諧波畸變限制在合理范圍內(nèi)。

計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算可針對各種不同電網(wǎng)情況進(jìn)行快速分析，其輸出結(jié)果可當(dāng)作設(shè)計(jì)之依據(jù)。無論如何，現(xiàn)場之測量不但可以提供可貴之諧波信息，并可當(dāng)作計(jì)算機(jī)仿真之輸入值，或者可用來驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果之準(zhǔn)確性。