变电系统谐波问题浅析及其检测

摘要：随着电力电子技术的发展，谐波的危害已越来越严重，谐波治理已迫在眉睫，而谐波检测可为谐波治理提供重要依据。本文分析了变电系统存在的谐波，指出了其危害，并介绍了基于付立叶快速变换的谐波检测方法，该方法既可检测谐波又可用于频谱分析,最后,展望了电力系统谐波检测方法的发展趋势。

关键词：变电系统、谐波、检测

随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增长，各行各业越来越多的非线性负荷不断接入电网，电力系统中的谐波问题越来越突出。为此，国家电力工业部电综[1998]211号文件曾颁布《电网电能质量技术监督管理规定》，其中第十四条规定，电压正弦波畸变合格率应不低于98％。国家技术监督局于1994年3月1日起下发执行了GB／T14549-93《电能质量公用电网谐波》技术标准。部分省市电力部门也出台了相应的实施细则，以限制大量的谐波涌入电网，保证供电系统中谐波的含量不超过国家的规定。显然，越来越突出的谐波问题与公用电网的电能质量问题呈日益恶化趋势相关，这是目前众多电力行业专家们关注的问题。

一、变电系统存在的谐波

变电系统是整个电力系统电能质量问题中的一个十分关键的环节，因此，变电系统的谐波问题应该引起重视。

谐波一般来说是由变压器、旋转电机、荧光灯、电子控制器和晶闸管控制设备等非线性设备引起的。由于变压器所使用的磁性材料通常在接近非线性或

就在非线性区域运行，在这种情况下，即使所加的电压是正弦，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波(主要是3次谐波)。同样，如果励磁电流是正弦的，则电压就是非正弦的。在三相变压器中，三角形联结或不接地星形联结使得零序的3倍数次谐波电流不能流通。在荧光灯中，每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮，点亮状态下荧光灯呈负电阻特性，其电流由感性的非线性整流器来限制，因此电流是畸变的。另外，当前使用的电子整流器也产生谐波。三相变流器产生谐波是由于直流电流在交流三相之间不断换相引起的。

二、谐波的危害

相当含量的谐波电流，将导致电气设备寿命缩短，网损加大，系统发生谐波谐振的可能性增加。以往，相当数量的这类故障归结为产品质量问题。事实上大量的非正弦波交流产生的三重谐波(即3，9，15，18，21，„谐波电流)和其他的零序电流，会使中性点对地产生电压，也会耦合入“三角星形”变压器的初级三角绕组中去，使电压产生畸变和过度发热。普通三相或三相非线性负荷(一般为6脉冲)即不含3次也不含三重谐波，大量的5次和7次谐波是负序和正序的在中性线上流经变压器绕组，然后并入上一级系统，使上一级电网同样受到冲击又反馈给配电系统及终端用户。目前无论在电力系统，还是在变电系统，或配电系统，有时几乎同时发生因受谐波电流冲击，引起继电保护和自动装置误动作，开关跳闸，仪表指示和电度计量不准以及通信系统受干扰等一系列问题，使电力系统整体水平不断恶化。即使各级电网谐波电压不超过标准，由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失电量也很可观，据统计为用电量的7％～15％。谐波会增加设备损耗进而加剧设备的热应

力。还可以使电压峰值增大，导致绝缘应力升高，电缆绝缘老化，最终可能使电缆绝缘击穿。同时由于电压畸变引起设备故障或不正常工作，造成负载设备损坏。谐波对变电系统设备的影响尤为明显。谐波导致损耗增加和设备寿命缩短。3倍数次谐波即使在负载平衡的情况下也会使中性线带电流，并且此电流有可能等于甚至大于相电流，导致要么设备降低额定值，要么中性线采用过大型号的导线。此外，谐波引起的谐振也可能损坏设备，谐波还会干扰继电保护装置、测量设备、控制和通信电路以及用户电子设备等，还会使灵敏设备发生误动作或元器件故障。在变电系统中通过大量使用电容器组来改善功率因数，但同时电容器组也受谐波的影响。电容器的电抗随着频率的升高而减小，这使得电容器成为谐波的吸收点，电容器由于谐波电流而过载。同时，谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝熔断。谐波往往会使介质损耗增加，其直接后果是额外的发热及寿命缩短。电容器和电源电感结合构成并联谐振电路，在谐振情况下，谐波被放大，最终电压会大大高于电压额定值，并导致电容器损坏或熔丝熔断。变电系统因受谐波电流的干扰引起电压、电流波形畸变，影响设备和负载的正常运行，并且影响断路器的开断能力，额定容量不满足。受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时，会改变继电器的时间延时特性；地电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流，从而导致误跳闸；测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性，导致测量不精确；通过感性耦合干扰电话线路；由于过零点的移动，谐波影响计算机系统等电子装置和控制电路的正常工作。半导体工业的迅猛发展诞生了一批精密设备，其对电能质量十分敏感，但同时这些设备又导致交流电流和电压稳态波形的畸变加剧。综上，谐波的危害主要有：

1）污染公用电网。如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。

2）影响变压器工作。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。

3）影响继电保护的可靠性。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。

4）加速金属化膜电容器老化。在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。

5）增加输电线路功耗。如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10～20倍，而感抗仅为其1/3～1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。

6）增加旋转电机的损耗。国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。 三、基于傅立叶变换的谐波检测方法

基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。利用FFT变换来检测电力谐波其基本过程是：对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，

再对数字信号进行离散傅立叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。使用此方法测量谐波，精度较高，实现简单、功能多且使用方便，在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。其缺点主要有：

1）需要一定时间的电压或电流值，而且需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。

2）当采样频率小于两倍最高信号频率时，会造成频谱混叠而产生误差，采样频率越低则产生的频谱混叠误差越大。减少频谱混叠的方法主要有：模拟滤波和数字滤波。频率分辨能力：在抽样点N一定的情况下，采样频率与频率分辨能力成反比。增加f会导致频率分辨能力下降，提高频率分辨力可能引起频谱混叠失真。需要兼顾不产生频谱混叠的基础上提高频率分辨力，其方法有：增加采样点数N(在未加窗进行数据截断的情况下)；利用现代谱估计算法。

3）在采样过程中，当采样周期与信号周期不同步时，即当采样频率不是信号频率的整数倍时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，频谱泄漏包括长范围泄漏和短范围泄漏两部分，长范围泄漏是由于信号截断造成的信号频谱旁瓣之间的相互干扰；短范围泄漏是指由于离散频谱的栅栏效应导致的信号峰值点观测上的偏差。频谱泄漏效应和栅栏效应使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。

其改进方法如下。

1)利用加窗插值法或其改进算法对FFT进行修正的方法。通过加窗减小频谱泄漏，通过插值消除栅栏效应引起的误差。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电

流的幅值及相位。

2)利用数字式锁相器(DPLL)使信号频率和采样频率同步。

3)修正理想采样频率法。这种方法的主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。该方法不需要添加任何硬件，实时性好，适合在线测量，但它与前两种方法相比较误差稍大一些，只能减少50％的泄漏。 四、谐波测量的发展趋势

1）由确定性的慢时变的谐波测量转变为随机条件下的快速动、暂态谐波跟踪，是电力系统安全稳定运行深入发展的需要。

2）谐波测量算法向复杂化、智能化发展；求解方法从直观的函数解析，进入复杂的数值分析和信号处理领域；谐波测量与谐波分析如何相互配合。针对非稳态波形畸变，寻求新的数学方法，如小波变换等，是人们关注的方向。

3）硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时控制奠定了基础，如研究多通道谐波分析仪和电能质量检测仪。

4）谐波测量与实时分析、控制目标相结合，使测量与控制集成化、一体化。 5）建立更为完善的功率定义和理论，将新理论应用于谐波测量，提出新的测量方法和测量手段，使谐波测量在精度和实时性方面取得突破。

6）研究谐波特性辨识方法，为高精度测量方法提供依据。 五、结束语

随着电力系统的发展，非线性设备广泛应用，谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。谐波检测势在必行。