芬蘭諾基亞電容器有限公司 中國代表處 廖淅塤
摘 要 三次諧波污染主要存在于低壓配電網(wǎng)中，以建筑系統(tǒng)最為嚴重。其對電網(wǎng)的危害主要有：功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、電網(wǎng)過熱等；對配電站會造成電子器件誤動作、電容器損壞、附加磁場、中性線過載和電纜著火。文章主要介紹了消除三次諧波的各種方法及性能比較。
關(guān)鍵詞 三次諧波 濾波 濾波器
１ 三次諧波源
輸電及配電系統(tǒng)規(guī)定：在頻率恒定情況下，電壓和電流均以正弦波波形運行。然而在非線性負荷接入系統(tǒng)時，產(chǎn)生的附加的諧波電流會引起電流和電壓畸變。產(chǎn)生三次諧波的非線性單相負荷主要有（不考慮暫態(tài)及非正常工作狀態(tài)）：
?。ǎ保晒鉄?、節(jié)能燈及其鎮(zhèn)流器；
?、偈袌稣{(diào)查表明，目前國內(nèi)市場絕大多數(shù)的熒光燈電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量高達８０％～９０％；
②高檔的電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量分三種標準：Ｌ標準：其諧波電流含量＜３７％；Ｈ標準：其諧波電流含量＜３０％；帶燈絲預(yù)熱控制的
電子鎮(zhèn)流器其諧波電流含量＜１０％。市場上的商品實際上達不到標準要求；
?、酃?jié)能型電感鎮(zhèn)流器標準規(guī)定ＴＨＤＩ＜２０％，其中三次諧波電流含量占主要成分。
?。ǎ玻╇娀『附釉O(shè)備（電弧的非線性類負荷）；
?。ǎ常┯嬎銠C開關(guān)型電源及顯示器（大型顯示屏幕）；
?。ǎ矗┎噬娨暀C及監(jiān)視器，如證券公司、體育場館、商業(yè)中心和新聞中心的電視墻的顯示幕墻。普通型彩色電視機ＴＨＤＩ可達１２７％，三次諧波電流含量高達９０％；
?。ǎ担┚чl管調(diào)壓電源（如加熱器、調(diào)光器、電化學(xué)電源等）；
?。ǎ叮┚чl管調(diào)功電源（如加熱器、電化學(xué)電源等）；
?。ǎ罚┱麟娫矗ㄈ珉娖鞯墓ぷ麟娫?、充電器、直流傳動及電化學(xué)電源等）；
?。ǎ福╅_關(guān)型穩(wěn)壓電源及ＵＰＳ；
?。ǎ梗┳冾l器（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ及ＡＣ－ＡＣ型）。
?、僮冾l的家用電器，如空調(diào)、洗衣機、風(fēng)機、泵、微波爐；
?、诠I(yè)及建筑用的調(diào)速電動機；
?、壑蓄l電源。
２ 三次諧波的影響
各次諧波在電路中的作用是不相同的，諧波的疊加與相序有關(guān)。同一電路中的某些諧波相互作用時，會相互減弱或相互抵消。但在更多的場合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。只有３次諧波出現(xiàn)時，波形才如圖１所示（忽略，詳見本期雜志）；
相線與中性線之間的非線性負荷產(chǎn)生三次諧波電流，并在中性線進行疊加。由于三次諧波及其倍數(shù)次諧波呈零序特征，因此中性線上的三次諧波電流是三相中三次諧波電流的代數(shù)和，會引起過載風(fēng)險使所有的諧波電流造成電流和電壓畸變，還形成１５０Ｈｚ的電磁場，對其周圍的電子控制、保護及通信設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要表現(xiàn)為：
?。ǎ保┮驗槿沃C波的零序性，低壓母線上的三次諧波電壓主要與中性線的三次諧波電流有關(guān)；
①當變壓器接法為Ｙ－Ｙｎ０時，零序性的三次諧波電流將成為勵磁電流，在此零序勵磁電抗上產(chǎn)生較大的壓降，即三次諧波電壓，很容易造成低壓母線上的電壓總畸變率超標；
?、诋斪儔浩鹘臃椤鳎伲睿皶r，１０ｋＶ側(cè)的變壓器繞組形成三次諧波電流流通的回路，該回路阻抗為變壓器漏抗，遠較零序勵磁阻抗?。煘椋玻氨蹲笥遥?，從而不會在低壓母線產(chǎn)生很大的三次諧波電壓，見圖２（忽略，詳見本期雜志）；
（２）如果低壓三相的三次諧波電流不平衡，則存在正序和負序的三次諧波分量：
?、偃绻潆娮儔浩鳛椋伲伲睿敖泳€，低壓側(cè)正序和負序的三次諧波電流會在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出三次諧波電壓，對高壓側(cè)產(chǎn)生影響；
?、谌绻潆娮儔浩鳛椤鳎伲睿保苯泳€，低壓側(cè)正序和負序的三次諧波電流在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出的三次諧波電流在△繞組形成環(huán)流，對高壓側(cè)產(chǎn)生的三次諧波影響要比變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線時小，但增加了變壓器高壓繞組的損耗。
?。ǎ常┯捎谥行跃€中三相負荷不平衡引起的工頻電流和三次諧波電流的疊加有可能大于相電流，當三相的三次諧波平衡時，由于Ｙ－Ｙｎ０接線的變壓器鐵芯中零序的三次諧波無通路，磁通只能經(jīng)鐵心、空氣和外殼等構(gòu)成回路，產(chǎn)生附加損耗和局部過熱；而在Ｙ－Ｙｎ１１接線中，△繞組為三次諧波電流提供通路，它所產(chǎn)生的三次諧波磁通將抵消鐵芯中的原三次諧波磁通，從而使鐵心中的合成磁通基本上呈正弦波，減少了附加損耗，但諧波電流的存在使Ｋ因子因諧波發(fā)熱而降低變壓器輸送能力，正常值為１．０和電流波峰系數(shù)增大，造成供電變壓器的利用率下降或過載；
?。ǎ矗┯捎谥行跃€中電流過大，使配電系統(tǒng)中性線的電纜、導(dǎo)線出現(xiàn)過負荷引起絕緣老化加速，增加了火災(zāi)隱患。主要原因有：
?、賴鴥?nèi)普遍選取中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％；
?、谝堰\行的許多按老標準設(shè)計制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的３３％；
③已運行的許多按新標準設(shè)計制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％；
?、苤行跃€與相線導(dǎo)體選取相同截面積，無論工程設(shè)計、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。
?。ǎ担┯捎陔娏骱碗妷夯儯黾恿斯╇娤到y(tǒng)中其他設(shè)備和材料的損耗，引起附加發(fā)熱、加速絕緣老化、減少使用壽命；
（６）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中設(shè)備和材料的振動和噪音；
?。ǎ罚┯捎陔娏骱碗妷夯儯篃o功補償電容器組由于并聯(lián)諧振而損壞，電動機等繞組類設(shè)備絕緣擊穿而損壞；
（８）電流和電壓畸變及１５０Ｈｚ電磁場：引起測量精確度異常，對控制所需要的同步信號的捕捉與鎖相條件惡化、干擾增加，從而使電子控制、測量、保護及通信設(shè)備運行不正常；
?。ǎ梗τ茫眨校庸╇姷膹V播電視節(jié)目錄制及播放系統(tǒng)產(chǎn)生附加背景噪聲，并損壞ＵＰＳ設(shè)備；
?。ǎ保埃┦拐彰鞴庠撮W爍而損壞；圖像顯示設(shè)備頻閃，顯示失真；
?。ǎ保保┤沃C波電流對其他設(shè)備和器材的負面影響要大于其對產(chǎn)生三次諧波電流的諧波源的影響。
３ 三次諧波濾波
濾波器與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法尤其適用于非線性負荷的供電點集中、又與線性負荷共由一個變壓器供電的情況。如果三次諧波電流引起的三次諧波電壓畸變及變壓器過載是主要問題建議在主電源配電柜裝設(shè)濾波器。
目前，工程中對帶中性線低壓供電系統(tǒng)降低三次諧波的方式主要有４種：
?。ǎ保┍粍邮讲⒙?lián)型濾波器（可以廣泛使用）；
?。ǎ玻┍粍邮酱?lián)型的濾波器（由于使低壓母線上的諧波電壓升高，不但不能消除非線性負荷之間的相互干擾，反而增大了對線性負荷的干擾；由于增加了中性線的阻抗，引起配電系統(tǒng)接地故障保護靈敏度下降）；
?。ǎ常е行跃€的有源濾波器；
?、俨⒙?lián)型（可以推廣使用）；
?、诖?lián)型（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）；
③并聯(lián)型有源濾波器與被動式濾波器并聯(lián)使用（可以推廣使用）；
?、艽?lián)型有源濾波器與被動式濾波器并聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）；
⑤串聯(lián)型有源濾波器與被動式濾波器串聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）。
?。ǎ矗╇pＺ接線的變壓器
利用變壓器原、付邊繞組的曲折接線來消除電源側(cè)諧波對負荷的影響和負荷側(cè)諧波對電源側(cè)的影響，具有消除諧波的功能。既可以作為供電變壓器也可以作為隔離變壓器，適用于三相式負荷：
①對單獨的非線性負荷單獨裝設(shè)；
?、趯械姆蔷€性負荷裝設(shè)（不能消除非線性負荷之間的相互干擾）。
３．１ 被動式并聯(lián)型濾波器
３．１．１ 濾波器的構(gòu)成。如圖３所示（忽略，詳見本期雜志）。
濾波器由電容器串聯(lián)電抗器構(gòu)成，諧波濾波器產(chǎn)生基波無功功率，以達到目標功率因數(shù)。電抗器的電感值選擇使其對三次諧波形成很低阻抗的串聯(lián)諧振大部分的諧波電流可被濾除。
諧波濾波器通常根據(jù)具體項目的測量結(jié)果采用標準元件組合而成，這樣可以保障以合理的投資獲得最佳的無功功率補償和諧波濾波效果。
３．１．２ 濾波器與供電系統(tǒng)的連接
濾波器一次回路與主配電母線或分配電母線經(jīng)帶斷路器或熔斷器的饋線相并聯(lián)。如圖４所示（忽略，詳見本期雜志）。
３．１．３ 濾波器的控制方式。見圖５（忽略，詳見本期雜志）。
?。ǎ保┡c常見的補償電容器組一樣，它可以由一臺功率因數(shù)調(diào)整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除；
?。ǎ玻┛梢愿鶕?jù)中性線中的電流，由外部的電流繼電器控制其投入和切除；
（３）濾波器與負荷控制同步。
３．１．４ 濾波器的保護方式
（１）利用濾波器進線前的帶復(fù)式脫扣功能的斷流器；
?。ǎ玻├脼V波器進線前的熔斷器；
?。ǎ常V波器柜內(nèi)的過電壓、過負荷繼電保護；
?。ǎ矗┑蛪航饘倩る娙萜鞯膬?nèi)附熔絲保護。
３．１．５ 確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)
?。ǎ保┲行跃€或相線中的三次諧波電流；
?。ǎ玻V波器接入點的電壓畸變（相對中性線）；
?。ǎ常┬枰臒o功補償功率；
?。ǎ矗┳儔浩鞯娜萘浚ǎ樱耄郑粒┘岸搪纷杩拱俜直龋ǎ冢耄ィ?；
（５）安裝地點（主配電柜或分配電柜）。
３．２ 被動式串聯(lián)型的濾波器
３．２．１ 濾波器的構(gòu)成
濾波器由電容器并聯(lián)電抗器構(gòu)成，然后串聯(lián)在供電系統(tǒng)的中性線上。如圖６所示（忽略，詳見本期雜志）。
電容器電容與電抗器電感值的選擇：
（１）對５０Ｈｚ工頻形成很低阻抗的串聯(lián)諧振，以利于三相不平衡負荷引起的負序工頻電流在中性線和串接的濾波器中無障礙流通；
?。ǎ玻Γ保担埃龋沃C波形成很高阻抗的串聯(lián)諧振，以阻礙單相非線性負荷產(chǎn)生的電流源性質(zhì)的三次諧波電流在中性線上流通，其結(jié)果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。
３．２．２ 濾波器與供電系統(tǒng)的連接
濾波器一次回路與配電系統(tǒng)的中性線相串連。
３．２．３ 濾波器的控制方式
通過旁路開關(guān)和旁路接觸器手動投入或切除。
３．２．４ 濾波器的保護方式
利用綜合的檢測與保護通過旁路開關(guān)以實現(xiàn)下列要求：
?。ǎ保┓乐共黄胶夤ゎl電流在濾波器兩端引起的過電壓；
（２）防止三次諧波電流過載；
?。ǎ常┕╇娤到y(tǒng)內(nèi)部故障；
?。ǎ矗V波器故障。
３．２．５ 確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)
?。ǎ保┲行跃€或相線中的三次諧波電流；
?。ǎ玻┲行跃€中的最大工頻電流；
（３）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）；
（４）配電系統(tǒng)的接線方式；
?。ǎ担┌惭b位置的環(huán)境要求。
３．３ 三相四線式的并聯(lián)型有源濾波器。見圖７（忽略，詳見本期雜志）。
并聯(lián)型有源濾波器實質(zhì)上是一個受控的快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負荷并聯(lián)，自動檢測非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流及濾波器與系統(tǒng)連接點的電壓畸變。經(jīng)ＤＳＰ產(chǎn)生的控制信號控制ＩＧＢＴ高速開關(guān)器件，既將儲能的直流電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)換成一系列的方波再經(jīng)過輸出電抗器輸出與負荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補償諧波的作用，同時又控制直流電容器上的充電電壓。其結(jié)果是系統(tǒng)只向負荷提供基波電流。
每一種并聯(lián)型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇，帶中性線的設(shè)備必須使用三相四線式，且用戶應(yīng)注意中性線上的電流是１倍、２倍還是３倍的相線電流。
４． 目前適用的三次諧波濾波方式的對比
４．１ 被動式并聯(lián)型三次濾波器
4.1.1 特點
?。ǎ保┛梢匝a償無功功率（功率因數(shù)），同時可以濾波；
?。ǎ玻┛梢越档椭C波電流和諧波電壓，減少非線性負荷之間及與線性負荷之間的相互干擾，降低對上級電網(wǎng)的影響；
?。ǎ常┲恍杩紤]無功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，系統(tǒng)接線簡單，運行安全可靠；
?。ǎ矗┛梢詫蝹€非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統(tǒng)進行補償，安裝位置靈活多樣；
?。ǎ担┛刂品绞届`活多樣，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性；
?。ǎ叮V波器元件的運行參數(shù)范圍明確，內(nèi)部故障保護方式成熟、可靠、簡單，不影響供電系統(tǒng)正常運行；
?。ǎ罚┛梢院推渌粍邮綖V波器和有源型濾波器配合使用。
４．１．２ 適用范圍
帶中性線的低壓供電系統(tǒng)的三次諧波濾波和功率因數(shù)補償
４．２ 被動式串聯(lián)型三次濾波器
４．２．１ 特點
?。ǎ保┛梢詫χC波電流進行濾波；
?。ǎ玻┛梢越档椭C波電流，降低對上級電網(wǎng)的影響理。論分析和現(xiàn)場測試均證明串聯(lián)型濾波器增大了低壓母線上的諧波電壓，因此增大了非線性負荷之間及與線性負荷之間的相互干擾。同時由于諧波電流的阻斷和諧波電壓的升高，對于絕大多數(shù)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波電流源性質(zhì)的非線性負荷，會影響其正常工作；
?。ǎ常┎坏紤]諧波、濾波，還要考慮中性線上的不平衡工頻電流受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，由于增加了中性線的阻抗引起配電系統(tǒng)接地故障保護裝置的靈敏度下降，中性線的安全直接涉及到供電系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)接線簡單，但運行安全可靠性低，屬于被動式三次諧波濾波器初始的方案；
?。ǎ矗┛梢詫械姆蔷€性負荷、變壓器總的供電系統(tǒng)進行補償，安裝位置不靈活；
?。ǎ担┛刂品绞讲混`活，投切影響供電系統(tǒng)的安全性；
（６）濾波器元件的運行參數(shù)范圍由于并聯(lián)振蕩不明確，內(nèi)部故障保護方式可靠性差，影響供電系統(tǒng)正常運行；
?。ǎ罚┛梢院推渌粍邮綖V波器和有源型濾波器配合使用。
４．２．２ 適用范圍
理論和測試數(shù)據(jù)充分證明了其安全可靠性和負面影響，在工程中慎重考慮其大量使用。
４．３ 三相四線式并聯(lián)型有源濾波器（三相三線式不可使用）
４．３．１ 特點
?。ǎ保┳赃m應(yīng)濾波，同時補償無功功率（功率因數(shù)）；
（２）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負荷之間及與線性負荷之間的相互干擾，降低對上級電網(wǎng)的影響；
（３）只需考慮無功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)參數(shù)的影響，運行安全可靠；
?。ǎ矗┛梢詫蝹€非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統(tǒng)進行補償，安裝位置靈活多樣；
（５）控制方式自適應(yīng)，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性；
?。ǎ叮﹥?nèi)部保護安全可靠，不因諧波過載而退出運行、擴展容易；
（７）可以和被動式濾波器配合使用。
４．３．２ 適用范圍
對補償效果要求非常高，而負荷產(chǎn)生的諧波無論是頻率、幅值還是相位均有較大的隨機性；
低壓供電系統(tǒng)的三次及其他特征、非特征、間諧波濾波和功率因數(shù)補償。與被動式濾波器的配合使用能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢，達到補償效果和經(jīng)濟性的完美結(jié)合。
５ 結(jié)論
根據(jù)對以上處理三次諧波問題的各種方法分析比較，結(jié)論如下：
?。ǎ保┦褂貌⒙?lián)型三次諧波濾波器可有效降低三次諧波電流，同時降低三次諧波電壓；
?。ǎ玻┦褂么?lián)型三次諧波濾波器雖可降低中性線三次諧波電流，但卻增大了三次諧波電壓；
?。ǎ常┦褂萌嗨木€式的并聯(lián)型有源濾波器可有效濾除中性線的三次諧波電流，降低三次諧波電壓；
（４）使用三相三線式的并聯(lián)型有源濾波器根本無法濾除中性線的諧波電流，不可使用；
?。ǎ担┦褂酶淖冏儔浩骼@組接法只能降低高壓側(cè)的三次諧波，但要求三相負荷必須完全相同，條件高、較難實現(xiàn)。同時諧波電流流經(jīng)變壓器，增加了變壓器的負擔，加大了變壓器的損耗，即使各種條件符合，在低壓側(cè)仍然存在大量的三次諧波電流，危害依然存在。
