EMC理论与实践_第七部分.ppt

第7章 谐波分析与抑制 n电磁兼容（EMC）研究的频率是在射频范围，而对于电网中的谐波一般是以50Hz为基波，国家标准规定以40次谐波为研究限制，即所研究谐波的最高频率是2KHz从这个意义上说，谐波不包含在电磁兼容范围内n但是由于谐波也是作为一种干扰客观存在，并且其干扰形式与电源传导发射一样，都是考虑从设备反馈到电网中的干扰，国际已经非常重视这个问题，我国在3C认证中也把谐波作为一个强制条款来执行，因此，有必要把谐波问题放在电磁干扰问题中一起研究 注意：n依据国家标准GB17625.1—2003（等同IEC61000-3-2：2001），以及目前国内实施的3C认证，本章仅研究电力系统中的谐波问题，如没有特殊要求，所说的谐波均指电力系统的谐波 7.1 概述 n电力系统运行时，理想情况下它应以额定频率和额定电压向用户供电n但实际运行中，由于负荷不断变化，电力系统的频率和电压是不可能维持恒定不变的n因此，以往各国都以频率和电压维持与额定值的偏差不超过规定的允许范围作为衡量电能质量的标准 n随着电力工业的发展，国民经济各部门的电气化 水平日益提高，具有非线性或时变特性的负荷也 日益增多，从而在现代电力系统中，仅用频率和 电压这两个指标来衡量电能质量就显得很不够了 。

n除了频率和电压外，电压和电流的三相对称平衡 状况，波形畸变（distortion）的情况以及由于负 荷急剧变化造成的电压闪变（flicker）等技术问题都将影响电力系统的运行，轻则影响送电效率， 重则影响用电安全 n自20世纪70年代以来，世界各国都陆续增加了与这些要求相适应的电能质量指标，并制订了相应的管理办法 n波形畸变是指交流电力系统中电压或电流波形偏离正弦波n一个具有非正弦波形的周期变量可以用一组正弦变量及恒定分量之和来表示n频率（或周期）与原波形的频率（或周期）相同的分量称为基波，其余频率为基波整数倍的分量 称为谐波（harmonic）n谐波频率和基波频率的比值称为谐波的次数（正 整数）n由于谐波频率高于基波频率（次数大于等于2），因而有时也称为高次谐波n所讨论的非正弦畸变波形应该是周期性重复而且 持续一段时间的过程，所以谐波是属于稳态范畴 的概念n电力系统的暂态过程严格地说不属于谐波分析的 范畴 n现代电力系统的发电机在正常稳态运行条件下，不会产生多少谐波电动势n电力系统产生的谐波主要是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备n这些设备，即使施加的电压波形是纯正弦的，其电流波形也会发生畸变。

n电力系统中主要的谐波源是各种换流装置、电子电压调整设备、电弧炉、感应炉以及现代工业设备为节能和控制使用的各种电力电子设备，还有多种家用电器和照明设备等n电力变压器在超出其正常工作条件（如运行在高于额定电压）时，也可能产生较大的非正弦波形的励磁电流 n谐波对电力系统电磁环境的污染将危害系统本身及广大电力用户，危害面十分广泛归纳起来其主要危害有： （1）产生附加损耗，增加设备温升与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速 （2）恶化绝缘条件，缩短设备寿命n除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿命 （3）可能引起电机的机械振动n由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。

（4）无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振n无功补偿电容与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路n它们的一些组合有时会对某次谐波电流起到放大作用，加剧了谐波危害n当它们构成的局部谐振回路的频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，就会造成危险的过电流或过电压 （5）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作n这些保护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形而设计的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作 （6）影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差7）干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作 n电力系统波形畸变并不是一个新的问题早在本世纪初就有不少的电力工作者注意到这个问题，并发表了不少有关论文n当时主要是讨论由于铁芯饱和引起的谐波以及通过三相电路的三角形接法抑制谐波的问题n其后，在20年代，德国就已提出静态整流器引起的波形畸变问题但是由于当时电力系统中的谐波并不严重，因而也没有成为重大问题 n本世纪六七十年代以来，由于大功率换流设备和电子调压装置的广泛应用，大量家用电器普通采用晶闸管以及其他各种非线性负荷的增加，导致电力系统波形畸变日益严重。

n加之，为了竞争和充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况下甚至在饱和区段工作，导致这些设备的励磁电流波形严重畸变 n由于波形畸变严重危及电力系统安全运行，因而世界各国都对谐波问题十分重视和关心，多次召开国际性学术讨论会，不少国家已制订了对电力系统谐波和用电设备谐波的国家标准或规定n国际电工委员会（IEC）、国际大电网会议（CIGRE）和国际供电会议（CIRED）等都相继组织了专门的工作组开展工作，以便为制订电力和用电设备以及家用电器的谐波标准作好准备 n近二十多年来我国相继颁布了一些法律法规n1984年颁布的《电力系统谐波管理暂行规定》（SD126— —84）n1993年颁布了《电能质量—公用电网谐波》（GB/T14549 ——93）的国家标准，并于1994年3月正式实施n1998年颁布了《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 （设备每相输入电流16A）》（GB17625.1——1998）n2003年又颁布了《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设 备每相输入电流16A）》使我国谐波管理工作正规化n2002年5月1日正式强制执行的3C认证，谐波电流作为条款强制实行。

7.2 谐波分析 n “谐波”这一术语源自声学，它指的是一根弦或一个空气柱以其基波频率的倍数频率振动n对于电信号，谐波的定义则是指频率为系统实际频率（即发电机产生的主要频率）整倍数的信号分量 n在示波器屏幕上观察到的复杂信号形状属于时域观测，即展示出波形每一瞬间的幅值n如将信号加到一个高保真的放大器上，则人耳听到的是频率混合后的总音调；它像一根音乐的和弦n所以，波形既可用时域表示也可用频域的数据描述此两域间的相互变换为这节的主要内容 n从一开始就必须明确，只有当畸变波形能在无穷多个周波过程中保持不变的条件下这种转换才是完满可行的n实际上负载的改变将使系统的谐波含量发生变化n但是只要所研究的情况能在一个合理的长时间内保持不变，上述问题不致引起困难n所以有必要将波形保持不变的谐波与波形逐周发生显著变化的瞬变情况区分清楚 7.2.2 谐波的基本概念 n法国数学家傅里叶（1768~~1830）于1822年在其著作《热的理论分析》中，提出周期为T的任何连续函数，能够用正弦基波分量和一系列高次谐波分量之和来表示n这些高次谐波的频率是基波频率的整数倍 n谐波分析是计算周期性波形的基波和高次谐波幅值和相角的方法。

n谐波分析所得到的结果，通常称之为傅里叶级数，并由其建立时域函数与频域函数之间的关系 n更普遍地说，在时域和频域之间均可通过傅里叶变换或反变换，将至区间内的任何函数映射到另一域的连续函数由此可见，傅里叶级数是傅里叶变换用于周期性信号的特殊情况 n实际的数据，常以采样时间函数的形式给出n它是在有限的区间内按固定的时间间隔表述幅值的时间序列n通常用离散傅里叶变换来处理采样的数据n离散傅里叶变换用快速傅里叶变换的算法作为工具，形成现代频谱和谐波分析方法的基础 一、电力系统电压的正弦波形畸变n电力系统中工作在稳态情况下的电力网电压随时间作周期性变化，人们总是力图使其成为正弦波形n电压为正弦波形的数学表达式可写成 n式中U——电压的有效值，其幅值为 ；n ——初相角；n n幅值、初相角和频率是确定正弦波的三个特征量，通常称 其为正弦波的三要素 n在电路中线性无源元件上的电流和电压的关系，不外乎比例（ ）、微分（ ）和积分（ ）等关系n正弦式周期函数在进行加、减、微分和积分等运算时，仍保持正弦函数的特点，所以在电力系统中要求尽可能由正弦波形的电源供电。

n目前电网电压的波形往往偏离正弦波形而发生畸变，而且波形的畸变日益严重 在供电系统中波形畸变问题主要由两大因素所造成 （1）大功率换流设备和调压装置等的广泛应用、大量的家用电器中的电视机和调光灯等普遍采用晶闸管以及各种非线 性负荷的增加导致波形畸变2）设备设计思想的改变n过去倾向于采用在额定情况下工作或余量较大的设计n现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设 计n例如有些设计为节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深 饱和区段在此区段内运行会导致激磁电流波形严重畸变 n非线性负荷接至供电系统以及供电系统中本身存在非线性元件，是造成电力网电压波形畸变的根本原因 n畸变波形可以用一组正弦函数来近似表示 图 用一组正弦波叠加来近似表示方波n谐波分析是计算周期性波形的基波和谐波的幅值和相角的方法n谐波分析又称为频域分析，所得到的表达式通常称为傅立叶级数二、畸变波形的有效值和畸变率 n周期电流和电压的瞬时值都随时间而变在工程实际中常采用有效值来衡量电流和电压的大小 n在电网中，如果电压和电流都具有非正弦波形，将电压和电流分别分解为傅立叶级数， 即nu(t)和i(t)具有相同的基波频率 。

由于负荷可能是非线性的，所以电压和电流不一定具有相同阶次的谐波分量 n非正弦周期电流的有效值，等于它的各次谐波电流有效值的平方之和的平方根值 n所以，非正弦量的有效值只与非正弦量所含各次谐波的有效值有关，而与它们的相位无关 n尽管在含有整流装置的负荷中，它的电流中会含有直流分量，但经过变压器隔离在交流侧是不含直流分量的在交流电网中是不允许注入直流电流的，所以在式中略去直流分量n如果非正弦电流中只含奇次谐波，可只由半个周期内的均方根值来确定有效值，即 n非正弦周期电压u(t)的有效值为n应当指出：基波和各次谐波等正弦量的最大值和有效值之间存在的关系，但对于非正弦量便不存在这个简单关系 n例如图a和图b所示的两个不同的畸变波形，由于两个波形所含的基波和三次谐波的幅值分别相等，所以它们的有效值是相同的；但是两个波形的基波与三次谐波之间的相位关系是不同的，所以它们的最大值却是不同的 图a 三次谐波初相角与基波相同 图b 三次谐波初相角与基波相反 n畸变波形偏离正弦波形的程度，常以其正弦波形畸变率表示n各次谐波有效值的平方和的方根值与其基波有效值的百分比，称为正弦波形畸变率THD（Total Harmonic Distortion），或简称畸变率。

n电压正弦波形的畸变率为 n式中U1—额定基波电压，也有时用实际基波电压的有效值n在工程上，为了抑制和补偿某次谐波，有时要求给出畸变波形所含某次谐波的数值，并常以其谐波含量来表示电 压畸变波形的第n次谐波含量为第n次谐波电压的有效值Un与基波电压有效值U1的百分比，即 n对于方波来说，其第n次谐波的含量则为n许多国家规定低压供电电压的畸变率不许超过5％n这种工业用电的电压波形可以认为实际上是正弦波形n为此，要求各用户应采取措施保证其向电网注入的谐波电流不超过规程的限制，并要求对谐波敏。