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中，以建筑系統最為嚴重。其對電網的危害主要有：功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、電網過熱等；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。
關鍵詞 三次諧波 濾波 濾波器
１ 三次諧波源
輸電及配電系統規定：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時，產生的附加的諧波電流會引起電流和電壓畸變。產生三次諧波的非線性單相負荷主要有（不考慮暫態及非正常工作狀態）：
（１）熒光燈、節能燈及其鎮流器；
①市場調查表明，目前國內市場絕大多數的熒光燈電子鎮流器三次諧波電流含量高達８０％～９０％；
②高檔的電子鎮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％；帶燈絲預熱控制的
電子鎮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；
③節能型電感鎮流器標準規定ＴＨＤＩ＜２０％，其中三次諧波電流含量占主要成分。
（２）電弧焊接設備（電弧的非線性類負荷）；
（３）計算機開關型電源及顯示器（大型顯示屏幕）；
（４）彩色電視機及監視器，如證券公司、體育場館、商業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％；
（５）晶閘管調壓電源（如加熱器、調光器、電化學電源等）；
（６）晶閘管調功電源（如加熱器、電化學電源等）；
（７）整流電源（如電器的工作電源、充電器、直流傳動及電化學電源等）；
（８）開關型穩壓電源及ＵＰＳ；
（９）變頻器（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ及ＡＣ－ＡＣ型）。
①變頻的家用電器，如空調、洗衣機、風機、泵、微波爐；
②工業及建筑用的調速電動機；
③中頻電源。
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。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，使波形發生明顯的畸變。只有３次諧波出現時，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和，會引起過載風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、保護及通信設備和系統產生干擾，主要表現為：
（１）因為三次諧波的零序性，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；
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；
②當變壓器接法為△－Ｙｎ０時，１０ｋＶ側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，遠較零序勵磁阻抗小為２０倍左右，從而不會在低壓母線產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：
①如果配電變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線，低壓側正序和負序的三次諧波電流會在高壓側繞組感應出三次諧波電壓，對高壓側產生影響；
②如果配電變壓器為△－Ｙｎ１１接線，低壓側正序和負序的三次諧波電流在高壓側繞組感應出的三次諧波電流在△繞組形成環流，對高壓側產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。
（３）由于中性線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，磁通只能經鐵心、空氣和外殼等構成回路，產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因子因諧波發熱而降低變壓器輸送能力，正常值為１．０和電流波峰系數增大，造成供電變壓器的利用率下降或過載；
（４）由于中性線中電流過大，使配電系統中性線的電纜、導線出現過負荷引起絕緣老化加速，增加了火災隱患。主要原因有：
①國內普遍選取中性線導體的截面積是相線的５０％；
②已運行的許多按老標準設計制造的電纜中，中性線導體的截面積是相線的３３％；
③已運行的許多按新標準設計制造的電纜中，中性線導體的截面積是相線的５０％；
④中性線與相線導體選取相同截面積，無論工程設計、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。
（５）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統中其他設備和材料的損耗，引起附加發熱、加速絕緣老化、減少使用壽命；
（６）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統中設備和材料的振動和噪音；
（７）由于電流和電壓畸變，使無功補償電容器組由于并聯諧振而損壞，電動機等繞組類設備絕緣擊穿而損壞；
（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、保護及通信設備運行不正常；
（９）對用ＵＰＳ供電的廣播電視節目錄制及播放系統產生附加背景噪聲，并損壞ＵＰＳ設備；
（１０）使照明光源閃爍而損壞；圖像顯示設備頻閃，顯示失真；
（１１）三次諧波電流對其他設備和器材的負面影響要大于其對產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濾波器。
目前，工程中對帶中性線低壓供電系統降低三次諧波的方式主要有４種：
（１）被動式并聯型濾波器（可以廣泛使用）；
（２）被動式串聯型的濾波器（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，引起配電系統接地故障保護靈敏度下降）；
（３）帶中性線的有源濾波器；
①并聯型（可以推廣使用）；
②串聯型（目前由于商用產品較少，很少使用）；
③并聯型有源濾波器與被動式濾波器并聯使用（可以推廣使用）；
④串聯型有源濾波器與被動式濾波器并聯使用（目前由于商用產品較少，很少使用）；
⑤串聯型有源濾波器與被動式濾波器串聯使用（目前由于商用產品較少，很少使用）。
（４）雙Ｚ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諧波對負荷的影響和負荷側諧波對電源側的影響，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；
②對集中的非線性負荷裝設（不能消除非線性負荷之間的相互干擾）。
３．１ 被動式并聯型濾波器
３．１．１ 濾波器的構成。如圖３所示（忽略，詳見本期雜志）。
濾波器由電容器串聯電抗器構成，諧波濾波器產生基波無功功率，以達到目標功率因數。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諧振大部分的諧波電流可被濾除。
諧波濾波器通常根據具體項目的測量結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 濾波器與供電系統的連接
濾波器一次回路與主配電母線或分配電母線經帶斷路器或熔斷器的饋線相并聯。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）。
（１）與常見的補償電容器組一樣，它可以由一臺功率因數調整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除；
（２）可以根據中性線中的電流，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式脫扣功能的斷流器；
（２）利用濾波器進線前的熔斷器；
（３）濾波器柜內的過電壓、過負荷繼電保護；
（４）低壓金屬化全膜電容器的內附熔絲保護。
３．１．５ 確定濾波器所需要的數據
（１）中性線或相線中的三次諧波電流；
（２）濾波器接入點的電壓畸變（相對中性線）；
（３）需要的無功補償功率；
（４）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）；
（５）安裝地點（主配電柜或分配電柜）。
３．２ 被動式串聯型的濾波器
３．２．１ 濾波器的構成
濾波器由電容器并聯電抗器構成，然后串聯在供電系統的中性線上。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；
（２）對１５０Ｈｚ三次諧波形成很高阻抗的串聯諧振，以阻礙單相非線性負荷產生的電流源性質的三次諧波電流在中性線上流通，其結果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。
３．２．２ 濾波器與供電系統的連接
濾波器一次回路與配電系統的中性線相串連。
３．２．３ 濾波器的控制方式
通過旁路開關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以實現下列要求：
（１）防止不平衡工頻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；
（３）供電系統內部故障；
（４）濾波器故障。
３．２．５ 確定濾波器所需要的數據
（１）中性線或相線中的三次諧波電流；
（２）中性線中的最大工頻電流；
（３）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）；
（４）配電系統的接線方式；
（５）安裝位置的環境要求。
３．３ 三相四線式的并聯型有源濾波器。見圖７（忽略，詳見本期雜志）。
并聯型有源濾波器實質上是一個受控的快速反應的諧波電流源，與非線性負荷并聯，自動檢測非線性負荷產生的諧波電流及濾波器與系統連接點的電壓畸變。經ＤＳＰ產生的控制信號控制ＩＧＢＴ高速開關器件，既將儲能的直流電容器上的直流電壓轉換成一系列的方波再經過輸出電抗器輸出與負荷產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。其結果是系統只向負荷提供基波電流。
每一種并聯型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇，帶中性線的設備必須使用三相四線式，且用戶應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 被動式并聯型三次濾波器
4.1.1 特點
（１）可以補償無功功率（功率因數），同時可以濾波；
（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故障及其他不確定因素的影響，系統接線簡單，運行安全可靠；
（４）可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統進行補償，安裝位置靈活多樣；
（５）控制方式靈活多樣，投切不影響供電系統的安全性；
（６）濾波器元件的運行參數范圍明確，內部故障保護方式成熟、可靠、簡單，不影響供電系統正常運行；
（７）可以和其他被動式濾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的三次諧波濾波和功率因數補償
４．２ 被動式串聯型三次濾波器
４．２．１ 特點
（１）可以對諧波電流進行濾波；
（２）可以降低諧波電流，降低對上級電網的影響理。論分析和現場測試均證明串聯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，對于絕大多數產生三次諧波電流的諧波電流源性質的非線性負荷，會影響其正常工作；
（３）不但要考慮諧波、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的安全性。系統接線簡單，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；
（４）可以對集中的非線性負荷、變壓器總的供電系統進行補償，安裝位置不靈活；
（５）控制方式不靈活，投切影響供電系統的安全性；
（６）濾波器元件的運行參數范圍由于并聯振蕩不明確，內部故障保護方式可靠性差，影響供電系統正常運行；
（７）可以和其他被動式濾波器和有源型濾波器配合使用。
４．２．２ 適用范圍
理論和測試數據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 三相四線式并聯型有源濾波器（三相三線式不可使用）
４．３．１ 特點
（１）自適應濾波，同時補償無功功率（功率因數）；
（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參數的影響，運行安全可靠；
（４）可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統進行補償，安裝位置靈活多樣；
（５）控制方式自適應，投切不影響供電系統的安全性；
（６）內部保護安全可靠，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；
低壓供電系統的三次及其他特征、非特征、間諧波濾波和功率因數補償。與被動式濾波器的配合使用能夠發揮各自優勢，達到補償效果和經濟性的完美結合。
５ 結論
根據對以上處理三次諧波問題的各種方法分析比較，結論如下：
（１）使用并聯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；
（２）使用串聯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；
（３）使用三相四線式的并聯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型有源濾波器根本無法濾除中性線的諧波電流，不可使用；
（５）使用改變變壓器繞組接法只能降低高壓側的三次諧波，但要求三相負荷必須完全相同，條件高、較難實現。同時諧波電流流經變壓器，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，在低壓側仍然存在大量的三次諧波電流，危害依然存在。
