高次谐波对电力系统的影响分析

系统中所传输的高次谐波电流会引起节点电压波形的畸变，并且对系统元件产生恶劣影响。包括：

1）网络元件中的附加损耗；

2）加速电机、变压器、电缆和补偿器的绝缘老化；

3）对电话、电报线路的通信以及控制和自动化系统产生干扰；

4）引起电网中的谐振现象。

下面详细分析这些影响。

网络元件中高次谐波电流的电能损耗是由线路、变压器和旋转电机上的损耗共同构成的。输电线路上的电能损耗取决于高次谐波电流及其谐波频率电阻。在高次谐波频率下集肤效应比基波频率下少得多，因此线路的电阻增大，电能损耗增大。

变压器和并联电抗器中的高次谐波附加电能损耗主要由铁损决定，这些损耗包含两个分量：磁滞损耗ΔР_г和涡流损耗ΔР_в。已知的是，磁滞损耗与频率成正比，而涡流损耗与频率的二次方成正比：ΔР_гf；ΔР_вf²。

由此可以看出，当频率增加时，即当流过高次谐波电流时，这些损耗也增加，且引起变压器和并联电抗器发热。在旋转电机中，高次谐波电流引起电动机和发电机转子发热，主要是反向序列的n=6K-1次谐波。变压器、并联电抗器和电动机发热引起其绝缘的加速老化，并且导致寿命降低。

在补偿无功功率的电容器组中，高次谐波电流导致电介质过热，在一些情况下可能导致部分电容器的损坏，以及退出工作。当电容器中流过高次谐波电流时，电容器组的长期允许电流应当满足如下的不等式约束

其中，I_кдоп=1.3I_кном。

网络中传播的高次谐波电流对输电线路附近敷设的通信线路可能产生较大的干扰，这些干扰可以来源于两个途径：电力回路和通信线路之间的寄生电容和电磁感应。尤其是可能对电话线路产生很大的影响，因为电话的频段与高次谐波的相吻合。电话频段在100～4000Hz范围内，其中主要的频率是250～400Hz，对应于有最大值的5和7次谐波的频率。(www.xing528.com)

高次谐波对网络的最重要影响是可能出现谐振现象。

下面分析邻近变流站附近的网络区段情况（见图12.8a），此网络对于高次谐波的等值电路如图12.8b所示。

变流站是高次谐波电流源，等值电路中包含电流源，此等值电路应当分别对每次谐波建立。网络的输入全阻抗与高次谐波电流源端子上测量频率的关系，表示成矢量如图12.9所示的形式。根据其与谐波频率的关系，网络的输入阻抗可能是感性的，也可能是容性的，此时输入阻抗的实部同样发生变化。

在矢量图过零点的频率上，将出现电压谐振，可能由于高次谐波导致网络节点电压很大的升高，在一些情况下这些电压升高可能威胁网络元件的绝缘。在对应于阻抗明显增加的频率上，在网络中形成电流谐振回路，此时谐波电流急剧增加，这对于用户变电站上补偿无功功率的电容器组是特别危险的。当电流谐振时电容器组由于高次谐波电流而过载，引起过热并最终导致退出工作。

由于现代电网复杂的结构，谐振回路可能是在距离高次谐波源很远的地方形成，此时在距离谐波源较近的网络区段上，其影响是不大的。这使得计算和分析高次谐波对网络的影响变得复杂。

图12.8 邻近变流站网络

a）网络接线图 b）等值电路

图12.9 在不同频率下网络输入全阻抗的矢量图

由此可以看出，为了消除变流器对相邻电网的负面影响，必须采取高次谐波电流的补偿措施，以避免其渗透到网络中。对于直流输电线路的变流站来说，如果其功率较大这种要求也是特别重要的。