摘要：  本文将铁磁饱和体和电子开关及电弧型装置等谐波源所产生谐波特征作分析，并从导出排查治理此电力电子系统谐波新型谐波滤波技术装置应用热点问题作探讨。

关键字：  变压器，电感变压器，电感

0 前言-新的挑战
随着我国制造业的蓬勃发展和人民生活水平的不断提高，电力电子技术在电网设备中得到广泛应用，大量的非线性负荷广泛应用在工业、商业和民用电网中，给电网造成严重污染。例如，办公楼宇和生产工厂中平均负载供电的变压器产生了过热，平衡电路中的中线因负载过大而发生过热，其断路器在没有明显原因的情况下而脱扣。但标准的故障排查显示，所有情况都是正常的。那问题究竟出在哪里?简言之，原因就是谐波。
尤其是近几年在我国节能技术产业的发展过程中出现了各种类型的专用节电装置，这些节电装置采用的均是电力电子控制技术如变频控制和可控硅调压原理，它们因是铁磁饱和型体和电子开关及电弧型装置均属典型的谐波源。而大量使用导致谐波的产生，轻者影响供电质量使制造工艺较为精细的产品质量受到影响，或者由于在节电过程中使用的节电器具产生的谐波导致谐振，因此，目前的电网中已经存在着大量的谐波源，且随着时间的推移，其总量和数量在不断增加，随着新技术的推广应用，新的谐波源也将不断的在电网中出现，由其产生的谐波必将对原有电网和未来电网中的各类设备带来越来越严重的危害，如设备寿命缩短、电器烧毁等，在供用电设计中有必要对已有的和可预见的谐波源考虑谐波滤波装置，以提高电网质量和减少谐波危害造成的损失，降低重复投资。
为此对电力电子谐波的诊断和解决及谐波滤波装置选用已成为电网设备安全运行不可缺少的措施。据此本文将就铁磁饱和型元件和电子开关型及电弧型装置等典型谐波源所产生谐波特征作分析，并从导出排查治理此电力电子系统谐波新技术装置应用热点问题作探讨。
1 电力电子谐波的诊断排查
1.1 谐波是现代电子技术的副产物
谐波是现代电子技术的副产物。在存在大量个人计算机、可调速驱动器和其它以短脉冲形式吸收电流的设备的场合，谐波现象尤其突出。这种设备在设计上仅在进线电压波形的受控制部分吸入电流。虽然这种方式会显著提高效率，但它会在负载电流中引起谐波。谐波会引起变压器和中线导体过热，并使断路器脱扣。
如果收听一条普通60Hz电力线的音频声，您只会听到单音交流声。当存在谐波时，您就会听到不同的音频，其中包含很多高音调。在您查看波形时，这一问题更加明显。一个标准60Hz电力线电压在示波器上表现为接近正弦波。当存在谐波时，波形发生失真，其失真的电流波形见图1A，失真的电压波形见图1B。
这些波形表现为非正弦形式。电压和电流波形不再具有简单关系，因此采用“非线性”这个术语。
1.2 典型谐波源的分类及其特征谐波
当今在工业、商业和民用电网中产生谐波的谐波源主要有三大类：
其一是铁磁饱和型体。主要指各种带铁心的电力设备，铁芯饱和电流、励磁电流及在投入或电压恢复时的励磁涌流都是非正弦波，含有高次谐波，这也是供电系统的谐波源，典型的如变压器、电抗器、互感器等。变压器正常运行时，铁芯处于磁饱和状态。当外施电压是正弦波时，主磁通也是正弦波。由于铁芯饱和，励磁电流波形畸变为尖顶波，考虑到磁滞影响，励磁电流波形不再是对称于最大值。谐波电流的大小与变压器的铁芯材料、磁通密度、结构和使用条件等因素有关，取决于铁芯的饱和程度。变压器励磁电流的特征谐波以3、5、7次为主，3次谐波电流约占15％~55％，5次谐波电流约占3％-25％，7次谐波电流约占2％~10％。变压器在空载或轻载投入时产生励磁涌流，励磁电流中除基波外，还含有数值很大的直流分量、奇次谐波和偶次谐波，变压器励磁涌流的特征谐波以2、3、4次为主，2次谐波电流约占65％，3次谐波电流约占30％，4次谐波电流约占7％左右。
其二是电子开关型。主要指各种交直流换流设备，如整流器、逆变器、双向晶闸管及可控硅开关设备等。广泛应用于冶金、化工、电气化机车等行业，包括家用电器、节能灯具和电力系统直流输电等都是电子开关型谐波源。典型的谐波源如电力机车，变频器，中频炉，电化学槽，轧机，家用电器（电视机、节能灯、计算机、空调机、电冰箱、洗衣机等）。而电子开关型负载产生的特征谐波主要与整流器的脉动数（即6脉动与12脉动）相关，其各次谐波（即5、7、11、13次）可使总电流畸变率约在10％左右。
其三是电弧型装置。主要指各种炼钢炉、金属熔化设备、电焊机群等。电弧炉是利用电弧的热量熔化金属原料，在熔化期内，由于熔化的炉料倒塌，使电极发生短路，引起电流冲击。由于电极分别控制，三相电弧炉的各相电阻也不可能同步变化，甚至差异很大，造成三相电流不对称。电弧电阻又是非线性的，并且随着电弧电压瞬时值的变化而变化。因此，电弧炉是一种冲击性、不对称、时变和非线性负荷，是系统中另一种主要的谐波源。
而电焊机群属冲击性不平衡负载，产生谐波既有整流产生也有铁心饱和产生，根据其输入电压不同，其波形畸变率也不同，激励电压较小时，此时铁心尚处于不饱和阶段，非线性电感电流值与外加激励成正比增长。当外加激励使铁心磁状态工作点处于饱和时，非线性电感上的电流显著增大，电流波形畸变越来越严重。
1.3 谐波检査的新方法
首先解决单相非线性负载的问题，如果谐波源是保证你的工作的关键设备和装置不能取消，那么解决谐波问题是极具挑战性的。第一步是检查谐波的存在和程度。我们称作第一步故障检测。检查的结果会提示一些解决方法，如重新分配负载，变压器降载使用或安装K因数变压器。检查首先要携带有效值数字万用表和电流钳对电力设施进行测试。这里要进行5个基本的测量。
检查用电负载：查看一下用电负载的类型。如果有大量的PC机，打印机，可调速电机，固体电路控制加热器和某些类型的荧光灯，谐波存在的可能性就非常大。
检查变压器的温度：找到给非线性负载供电的变压器，查看温度是否过高。同时要检查其散热的风扇没有被遮挡。
检查变压器二次侧电流：用仪表检查变压器的电流，下面是如何理解仪表的测量读数。
首先检查所用测试仪表的电压等级是否满足被测的变压器；测量并记录变压器二次侧每相的电流以及中线电流（如果使用中线）；计算负载的kVA并和变压器铭牌上列出的数值进行比较。如果有谐波，即使计算出来的kVA值小于铭牌上的额定值，变压器仍可能过热；如果变压器二次侧是四线制系统，将测量的中线电流和预估的不平衡相电流数值比较（中线电流是相电流的矢量和，如果相电流的幅度和相位平衡中线电流应该为零）。如果中线电流比预计的值高，那么就很有可能有三次谐波的存在，变压器就应该降载使用；测量中线电流的频率。中线上150Hz的电流数值大部分是三次谐波构成的。
检查辅配电盘的中线电流：检查给单相非线性负载供电的辅配电盘。测试每个支路中线的电流并和使用的电线的额定容量相比较。检查中线母线和馈线的发热和褪色情况。此时，非接触红外测温探头（例如福禄克公司的80PK）是非常有用的。
检查插座上中线至地线的电压：插座支路的中线过载有时可以通过测量插座上中线至地的电压来发现。测量电压要在负载工作时进行。电压小于2V是正常情况。高于2V则表示有麻烦。再测量频率，150Hz表示有很强的谐波出现，而50Hz表明三相不平衡。
2 关于谐波治理的方案与谐波滤波装置的选用
2.1 谐波治理方案
谐波治理必须从设计入手，尤其是供配电网系统，一般通过用户侧谐波治理是无法实现的，通过供配电网的合理设计，可以抵消特定次谐波。下面就从供电、用电两个方面简述谐波治理方案及谐波滤波装置的选用。
*供电方谐波治理方案
在电力系统中，供电电压波型是中心对称的，因此基本上不含有偶次谐波，主要存在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过Y0/△、Y/△接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比较高，而且输电线路有一定电感量，对地又有一定电容量，相间及线间也有一定电容量。因此，高次谐波在线路传输过程中衰减比较快，同时高次谐波在电网中所占的比重也不大，故在电力系统中不作为主要整治对象。例如在10kV配电系统中，配变采用Y/Y0接线，Y0(400V)侧由于有非线性用电设备，会产生三、五、七……次谐波，五、七次谐波可以用并联LC滤波器进行治理，而对三次谐波往往采用串联谐振使三次谐波在主变一次侧和二次侧之间进线隔离，其原理（见图2所示）如下：当L、C并联谐振在三次谐波频率时，三次谐波电流流不过主变二次侧线圈，从而使主变一次侧感应不出三次谐波的电压分量，同时使中性线三次谐波电流大大下降。有意识的将配变中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波。
为此对于谐波治理方法可以有以下五种基本方法：其一是将配变中间相改接A或者C相，减少变压器群产生的谐波；其二是采用△/Y0、△/Y接线组别的变压器，隔离三、九次谐波；其三是采用L、C并联无源滤波器，对五、七次谐波进行治理；其四是采用L、C串联无源滤波器，对三次、九次谐波电流进行阻塞；其五是增加电网系统容量，即增加了谐波允许值。
*用电方谐波治理方案 
按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则，进行谐波源用户侧治理。即对于产生大量谐波的用户，在用户变的低压侧加装谐波滤波装置。根据装置的原理不同，可分为静止型无功动态补偿装置SVC，无源电力滤波装置(PF/FC)和有源电力滤波装置(APF)。为此仅就用电方谐波滤波装置方案选择作探讨。
2.2 谐波滤波装置的选用
2.2.1 有源滤波器(APF)的选型
*有源滤波器(APF)的应用特征
有源滤波器的基本原理是从电网中检测出谐波电流，经内部芯片快速计算、分析、比较，控制主功率单元产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波成分。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。图3为有源滤波器(APF)基本架构。
从图3可知，APF根据电网和负载性质，分别有三相三线系列和三相四线系列有源电力滤波装置，三相三线系列主要针对整流器、变频器、大型UPS、中频炉、电弧炉等工业型大容量非线性负荷，拥有高效的滤波能力，能同时滤除2~31次谐波，小于20ms的响应时间，具备一拖四扩展功能。适用于各种工况领域，是工业型大容量非线性负载谐波治理的理想解决方案。三相四线系列APF适用于商业建筑电气系统，由于商业建筑电气系统大量使用荧光灯、电脑、UPS、电梯、变频空调等设备，不仅污染电网，而且其产生的三次谐波叠加到中性线上，使中性线发热，严重威胁电力系统安全。该系列APF能彻底消除因三次谐波产生的中性线谐波电流，并消除2~31次全部或选定次谐波。该系列APF体积小，具备完全的通讯功能，是保障电力系统安全的重要电气设备。
有源滤波器APF的构建简单，补偿特性不受电网阻抗的影响，只需按照所需谐波电流配置。
*有源滤波器APP主要性能 
额定电压：0.38kV~lkV，可同时滤除：2~31次谐波，响应时间：<20ms，频率：50Hz，保护方式：交流过压、欠压，直流过压，IGBT过流，装置过热，冷却方式：风冷，运行环境温度：-30℃-+50℃，相对湿度：<90％(25℃)，
2.2.2 混合型电力滤波器(HAPF)的选型
*混合型滤波器(HAPF)的应用特征
混合型电力滤波装置是基于有源电力滤波器(APF)和无源电力滤波器(PF)技术的一种电力滤波器（见图4架构示意图），集中具有APF和PF治理谐波所长，在谐波含量很高时，大部分的谐波通过无源滤波器吸收，剩余的动态变化的谐波由有源滤波器实时跟踪补偿，既减少了投资，解决PF响应速度慢的缺陷，又可避免由于谐波环境变化引起的系统谐振等危害，实现经济、合理的治理谐波和无功补偿。混合型有源滤波器适用于谐波含量比较大，电网谐波含有率不断变化的配电系统应用。
*混合型滤波器(HAPF)的型号命名
HAPF--300十50、0.38—4，左式中‘4’表示三线四线制，‘0.38’表示装置额定电压U。(kV)，‘50’表示有源滤波装置容量(A)，‘300’表示无源滤波装置容量Q。(kvar)，HAPF表示混合型滤波器。
*混合型滤波器HAPF主要性能 
额定电压：0.38kV-1kV，可同时滤除：2～31次谐波，频率：50Hz，保护方式：交流过压、欠压，直流过压，IGBT过流，装置过热，冷却方式：风冷，运行环境温度：-30℃-+50 ℃，相对湿度：<90％(25℃)。
2.2.3 静止型动态无功补偿装置(SVC)的选型
*静止型动态无功补偿装置(SVC)的应用特征
对于大型电弧炉负荷，运行时既有大量谐波产生，同时由于冲击性负荷产生电压波动、电压闪变和三相不半衡，此时需要采用静止型动态无功补偿装置(SVC)进行谐波治