应用科技
谐波对电容器的危害及控制措施
陆承康
兰春林
（广西电网公司梧州运行维护局，广西梧州５４３００２）
［摘要］随着我国经济社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，对电力的需求越来越大，这就需要建设大量电力系统。作为电力系统
建设不可缺少的材料，电容器也备受人们的关注。一些电子产品产生的谐波对电容器有极大的危害，直接影响着电力系统的使用，如何掌握这些危害并采取相应的应对措施显得尤为重要。下面介绍谐波对电容器的危害及控制措施。［关键词］谐波；电容器；危害；措施
电力电容器（以下简称电容器）是一种无功补偿装置，它能对电力系统无功储备不足的问题很好的解决，还能提高功率因数，对电压的质量进行改善，以保证电网能够经济安全的运行。随着很多电子产品和非线性负载如电弧炉、变流装置、可控硅整流设备等在电力系统中的逐步应用，其不仅消耗了大量无功功率，还使大量谐波产生，造成电容器损坏，破坏了电力系统的电流和电压的稳定性，对系统的运行效率造成了影响，甚至损坏电力设备，使电力系统无法正常运行。因此，掌握谐波产生的原因、危害及其预防措施是十分必要的。
1谐波产生的原因
在电力系统中，谐波产生的根本原因是使用电子产品和非线性负载。当电流流过电子产品和非线性负载时，其上所加的电压和电流不具有线性关系，从而形成了非正弦电流，也就是电路中产生了谐波。由于半导体晶闸管、二极管的非线性特性和半导体晶闸管的开关操作，功率转换器等一些电力系统的设备就会较大的背离正弦曲线波形。
功率转换器的脉冲数与谐波电流的产生密切相关。最低次的谐波分量的频率的次数随功率转换器脉冲数的增高而增高。6脉冲设备有5、7、11、13、17、19……n倍于电网频率。其他功率消耗装置，如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的三次谐波。
在供电网络电阻作用下，这样的非正弦曲线电流会导致一个非正弦曲线的电压降。产生谐波电压的振幅和相应的谐波电流及与该电流频率对应的供电网络阻抗的乘积。乘胜的次数越多，谐波分量的振幅就越低。有谐波源的地方就有谐波产生。谐波分量还可能通过供电网络到达用户。
2谐波的危害
理想的电网供应的电压是具有单一而稳定的频率以及规定的电压幅值。而电子产品和非线性负载的使用，产生了谐波电压和谐波电流，损坏电力系统的电容器，恶化了用电设备的环境，对电力系统有重要的危害作用。
２．１谐波过负荷
电容器的容抗和频率呈反比关系，容抗在谐波作用下比在基波作用下小很多，即使谐波在电压中没有占很大的比例，也会产生明显的谐波电流。尤其是当电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谢振频率接近于或等于某次谐波分量的频率时，就会将谐波电流放大，通常谐波电流可放大10~20倍，这样使得过量负荷通过电容器，最终使电容器鼓包损坏，甚至出现电力装置无法正常运行的情况。
谐波电流叠加在电容器的基波电流上，这就增大了电容器的运行电流有效值，使得温度升高，严重的导致电容器过热，从而降低其使用寿命或者损坏电容器。损坏电力设备，使电力设备无法正常运行。
２．２谐波过电压
叠加在电容器基波电压上的谐波电压，不但增大了电容器运行电压的有效值，还可能会使峰值电压大大增加，导致电容器在运行中出现的局部放电无法熄灭，而这通常是电容器损坏的一个重要原因。
当电容器的端电压为非正弦时，电容器介质中产生的附加有功损耗就是产生的额外发热，这些热量升高了电容器的运行温度。当电压波形畸变时，尖顶电压波很容易在介质中诱导发生局部放电，加之电压的变化率较大，局部放电的强度就很大，这就更加加剧了绝缘介质的老化速度，降低了电容器的使用时间，间接使电动机、变压器等电力设备的
的。
３．２安装串接电抗器
为了将谐波的影响消除，在电容器回路中串联一定数值的电抗器，
也就是造成一个对n次谐波的滤波回路。当串联电抗器的n次谐波感抗与电容器的n次谐波容抗相等时，就构成了串联谐振的条件，这样谐波电压将被全部抑制。
当电力系统中有两组或两组以上电容器组，而且不仅有串联小电抗的电容器组还有串联大电抗的电容器组时，投放顺序是十分重要的。这从分析谐波电流可以得知：当电容器回路呈电容性时，由于电容器的“补偿”作用，电容器回路在谐波电压的作用下，产生的谐波电流进入系统，扩大了系统的谐波电流，使系统电压波产生畸变。当电容器回路呈电感性时，电容器回路和系统阻抗并联分流，流入系统的谐波电流减小。因此，电容器组的投放顺序要根据所串联电抗器的电抗值大小匹配进行。如对一般的电弧炉产生的谐波进行消除时，可采用电容器和电抗器配合的方法，使串抗率达到12%，可抑制3、5次等低次谐波的放大，减少电容器损坏的情况。如果在投入一组12%串（下转第２３９页）
TREND
使用寿命大大缩短，降低了供电的可靠性，很容易给生产过程造成严重后果。如一般的电弧炉产生的3、5次谐波，在电容器和电抗器的配合既串抗率是6%的情况下电容器对3、5次谐波有放大的作用，更容易使电压发生畸变，导致电容器绝缘薄弱环节更容易击穿，从而造成部分电容器芯损坏，对于集合式电容器来说处理非常困难，需要整体吊罩后更换电容器芯，还需要进行滤油等工作，修理时间长，电容器可用率低。
3谐波的控制措施
通常对谐波进行控制的措施有设置滤波装置、安装串接电抗器。３．１设置滤波装置
滤波装置包括无源滤波装置和有源滤波装置。3.1.1无源滤波装置
无源滤波装置包括无源并联滤波器和无源串联滤波器。
现有的谐波滤除装置大多使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，对不同频率的谐波通常要用多组滤波器来滤除谐波。
由电容和电感串联构成的串联滤波器，有一个阻抗很低的串联谐振点，假如构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将它串联在电路中，就能将全部的谐波滤掉。串联滤波器对谐振点频率的电流由很低的阻抗，对偏离谐振点频率的电流则增大了阻抗，阻抗随偏离程度的增大而增大。对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗起主要作用，对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗起主要作用。由于谐波成分往往比基波频率高，因此电感主要完成滤除谐波的工作，电容的作用是将电感对工频基波的阻抗抵消掉。
3.1.2有源滤波装置
有源滤波装置是在无源滤波装置的基础上发展来的。
有源滤波装置主要由电力电子元件组成电路，使之产生一个与系统谐波的幅度、频率相同，但相位相反的谐波电流，这个产生的谐波电流能与系统中的谐波电流抵消。
有源滤波装置能做到适时补偿，还不会增加电网的容性元件，具有较好的滤波效果，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是相当好
２３７
应用科技
对于探测结果的解释和评估见表1、2。
表1TSP探测结果的解释和评估
测数据的有效性和强弱特征等、
2）应以施工所在区域的地质勘查报告为基础，对隧道施工现场的地质情况进行宏观预报，再将宏观预报所得出的结论作为进行隧道超前地质预报的指导原则，同时，注意使用长短距离相结合的隧道施工不良地质超前预测预报技术，以便充分发挥它们各自的优势，使各项数据更加充分，便于技术人员对有关地质情况做出更加合理的解释。3）在隧道施工前进行超前地质预报已经得到了工程技术人员广泛的关注和认可，并成为了保证工程质量和施工安全的重要措施和手段，是绝大多数隧道工程的第一道工序。加强对该技术的使用，能够进一步增强施工的目的性，最大程度的降低可能发生的安全事故。在使用过程中，隧道超前地质预报的重点应放在那些容易导致地质灾害的如围岩坍塌、突泥、突水等不良地质问题上。4）TSP系统能够对施工前方的地质变化情况（如软弱岩层、断层
表2TSP探测结果的解释和评估
破碎带等）进行长距离的预测，在掌子面前方100~150m范围内的准确率最高，在绝大多数岩层结构中，其有效预测范围都能达到100m左右，并且整个测量工作对正常施工的干扰微乎其微。
5）TSP系统虽然得到了不断的改进和完善，但到目前为止还无法对岩层中水的含量及出水地点进行准确预测，另外，炮点激发的误差、地震波波速与围岩的影响、测线排序和信号接受等问题还值得进一步的探索和研究。
隧道工程的涉及面广、系统性强，隧道超前地质预报只是其中的一个子系统，因此需要参与工程各方的协同配合才能有效开展。工程实践表明，超前地质预报能够有力保障施工安全和工期，具有良好的经济效益和社会效益。
３．４相关建议
预报段范围内YDK513+328～300、YDK513+290～277以及
YDK5I3+24541段的围岩强度低，情况较差，因此在施工前应做好充足的安全防范和地质勘查工作，并注意加强支护。其它段的围岩情况较为稳定，各项指数无明显变化，无明显断层。
4结语1）TSP是一种专门为地下工程研发的反射地震探测技术，在投入使用后，已经成功的对很多隧道工程施工过程中存在的不良地质问题进行了预报，为提高工程质量，保证施工安全做出了巨大的贡献。但也应注意到，TSP技术还只是一项仍在不断探索、研发和改进的隧道地质超前预报技术，虽然在成果解释和技术方法方面已经较为成熟，但是在对不同类型围岩的超前预报中，还存在一些尚未解决的问题，例如判断检
参考文献［］
[1]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社,2010.
[2]邓荣贵.泥巴山深埋特长隧道岩体工程问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,2010.
[3]张庆贺.隧道及地下工程灾害防护[M].北京:人民交通出版社,2009.[4]彭立敏,刘小兵.隧道工程[M].长沙:中南大学出版社,2009.
（上接第２３７页）
抗率的情况下，电压仍然达不到要求时，可再投入一组6%的串抗率的电容器组，此时3、5次谐波的放大不会很大，可有效的保护电器。以往各变电站安装的较多的均为串抗率为6%的电容器组，可对部分电容器组进行技改，将部分电容器改为12%的串抗率，另一部分则保留6%的串抗率的电容器组，可减少技改投资，同时，在投电容器组是，应优先投入12%串抗率的电容器组，在电压不够时再投6%的串抗率，电容器组的投退灵活有效。
３．３使用多组电容器
例如，消除上述电弧炉产生的3、5次谐波的一种方法是使用框架式电容器，既电容器由很多独立的电容器单元组成，当出现部分电容器芯损坏的情况时，可立即更换损坏的电容器芯，备品容易准备，更换方便，同时预试时容易检测各电容器单元的电容量变化情况。
4结语
随着我国城市化和现代化进程的不断加快，电力需求的增长也特
别迅速，电力系统的建设速度不断加快。谐波治理技术能够很好的消除谐波对电容器的损坏，延长其使用时间，缓解电力供需矛盾，改善供电质量，对我国经济发展贡献更大的力量。
参考文献［］
[1]FrancisicoC.DeLaRosa(美)著,赵琰,孙秋野译.电力系统与谐波[M].北京:
机械工业出版社,2009.
[2]张选正,徐智林,张金远.谐波治理与无功补偿技术问答[M].北京:化学工业出版社,2009.
[3]GeorgeJ.Wakileh(奥地利)著,徐政泽译.电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
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谐波对电容器的危害及控制措施
陆承康
兰春林
（广西电网公司梧州运行维护局，广西梧州５４３００２）
［摘要］随着我国经济社会的不断发展，人民生活水平的不断提高，对电力的需求越来越大，这就需要建设大量电力系统。作为电力系统
建设不可缺少的材料，电容器也备受人们的关注。一些电子产品产生的谐波对电容器有极大的危害，直接影响着电力系统的使用，如何掌握这些危害并采取相应的应对措施显得尤为重要。下面介绍谐波对电容器的危害及控制措施。［关键词］谐波；电容器；危害；措施
电力电容器（以下简称电容器）是一种无功补偿装置，它能对电力系统无功储备不足的问题很好的解决，还能提高功率因数，对电压的质量进行改善，以保证电网能够经济安全的运行。随着很多电子产品和非线性负载如电弧炉、变流装置、可控硅整流设备等在电力系统中的逐步应用，其不仅消耗了大量无功功率，还使大量谐波产生，造成电容器损坏，破坏了电力系统的电流和电压的稳定性，对系统的运行效率造成了影响，甚至损坏电力设备，使电力系统无法正常运行。因此，掌握谐波产生的原因、危害及其预防措施是十分必要的。
1谐波产生的原因
在电力系统中，谐波产生的根本原因是使用电子产品和非线性负载。当电流流过电子产品和非线性负载时，其上所加的电压和电流不具有线性关系，从而形成了非正弦电流，也就是电路中产生了谐波。由于半导体晶闸管、二极管的非线性特性和半导体晶闸管的开关操作，功率转换器等一些电力系统的设备就会较大的背离正弦曲线波形。
功率转换器的脉冲数与谐波电流的产生密切相关。最低次的谐波分量的频率的次数随功率转换器脉冲数的增高而增高。6脉冲设备有5、7、11、13、17、19……n倍于电网频率。其他功率消耗装置，如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的三次谐波。
在供电网络电阻作用下，这样的非正弦曲线电流会导致一个非正弦曲线的电压降。产生谐波电压的振幅和相应的谐波电流及与该电流频率对应的供电网络阻抗的乘积。乘胜的次数越多，谐波分量的振幅就越低。有谐波源的地方就有谐波产生。谐波分量还可能通过供电网络到达用户。
2谐波的危害
理想的电网供应的电压是具有单一而稳定的频率以及规定的电压幅值。而电子产品和非线性负载的使用，产生了谐波电压和谐波电流，损坏电力系统的电容器，恶化了用电设备的环境，对电力系统有重要的危害作用。
２．１谐波过负荷
电容器的容抗和频率呈反比关系，容抗在谐波作用下比在基波作用下小很多，即使谐波在电压中没有占很大的比例，也会产生明显的谐波电流。尤其是当电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谢振频率接近于或等于某次谐波分量的频率时，就会将谐波电流放大，通常谐波电流可放大10~20倍，这样使得过量负荷通过电容器，最终使电容器鼓包损坏，甚至出现电力装置无法正常运行的情况。
谐波电流叠加在电容器的基波电流上，这就增大了电容器的运行电流有效值，使得温度升高，严重的导致电容器过热，从而降低其使用寿命或者损坏电容器。损坏电力设备，使电力设备无法正常运行。
２．２谐波过电压
叠加在电容器基波电压上的谐波电压，不但增大了电容器运行电压的有效值，还可能会使峰值电压大大增加，导致电容器在运行中出现的局部放电无法熄灭，而这通常是电容器损坏的一个重要原因。
当电容器的端电压为非正弦时，电容器介质中产生的附加有功损耗就是产生的额外发热，这些热量升高了电容器的运行温度。当电压波形畸变时，尖顶电压波很容易在介质中诱导发生局部放电，加之电压的变化率较大，局部放电的强度就很大，这就更加加剧了绝缘介质的老化速度，降低了电容器的使用时间，间接使电动机、变压器等电力设备的
的。
３．２安装串接电抗器
为了将谐波的影响消除，在电容器回路中串联一定数值的电抗器，
也就是造成一个对n次谐波的滤波回路。当串联电抗器的n次谐波感抗与电容器的n次谐波容抗相等时，就构成了串联谐振的条件，这样谐波电压将被全部抑制。
当电力系统中有两组或两组以上电容器组，而且不仅有串联小电抗的电容器组还有串联大电抗的电容器组时，投放顺序是十分重要的。这从分析谐波电流可以得知：当电容器回路呈电容性时，由于电容器的“补偿”作用，电容器回路在谐波电压的作用下，产生的谐波电流进入系统，扩大了系统的谐波电流，使系统电压波产生畸变。当电容器回路呈电感性时，电容器回路和系统阻抗并联分流，流入系统的谐波电流减小。因此，电容器组的投放顺序要根据所串联电抗器的电抗值大小匹配进行。如对一般的电弧炉产生的谐波进行消除时，可采用电容器和电抗器配合的方法，使串抗率达到12%，可抑制3、5次等低次谐波的放大，减少电容器损坏的情况。如果在投入一组12%串（下转第２３９页）
TREND
使用寿命大大缩短，降低了供电的可靠性，很容易给生产过程造成严重后果。如一般的电弧炉产生的3、5次谐波，在电容器和电抗器的配合既串抗率是6%的情况下电容器对3、5次谐波有放大的作用，更容易使电压发生畸变，导致电容器绝缘薄弱环节更容易击穿，从而造成部分电容器芯损坏，对于集合式电容器来说处理非常困难，需要整体吊罩后更换电容器芯，还需要进行滤油等工作，修理时间长，电容器可用率低。
3谐波的控制措施
通常对谐波进行控制的措施有设置滤波装置、安装串接电抗器。３．１设置滤波装置
滤波装置包括无源滤波装置和有源滤波装置。3.1.1无源滤波装置
无源滤波装置包括无源并联滤波器和无源串联滤波器。
现有的谐波滤除装置大多使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，对不同频率的谐波通常要用多组滤波器来滤除谐波。
由电容和电感串联构成的串联滤波器，有一个阻抗很低的串联谐振点，假如构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将它串联在电路中，就能将全部的谐波滤掉。串联滤波器对谐振点频率的电流由很低的阻抗，对偏离谐振点频率的电流则增大了阻抗，阻抗随偏离程度的增大而增大。对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗起主要作用，对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗起主要作用。由于谐波成分往往比基波频率高，因此电感主要完成滤除谐波的工作，电容的作用是将电感对工频基波的阻抗抵消掉。
3.1.2有源滤波装置
有源滤波装置是在无源滤波装置的基础上发展来的。
有源滤波装置主要由电力电子元件组成电路，使之产生一个与系统谐波的幅度、频率相同，但相位相反的谐波电流，这个产生的谐波电流能与系统中的谐波电流抵消。
有源滤波装置能做到适时补偿，还不会增加电网的容性元件，具有较好的滤波效果，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是相当好
２３７
应用科技
对于探测结果的解释和评估见表1、2。
表1TSP探测结果的解释和评估
测数据的有效性和强弱特征等、
2）应以施工所在区域的地质勘查报告为基础，对隧道施工现场的地质情况进行宏观预报，再将宏观预报所得出的结论作为进行隧道超前地质预报的指导原则，同时，注意使用长短距离相结合的隧道施工不良地质超前预测预报技术，以便充分发挥它们各自的优势，使各项数据更加充分，便于技术人员对有关地质情况做出更加合理的解释。3）在隧道施工前进行超前地质预报已经得到了工程技术人员广泛的关注和认可，并成为了保证工程质量和施工安全的重要措施和手段，是绝大多数隧道工程的第一道工序。加强对该技术的使用，能够进一步增强施工的目的性，最大程度的降低可能发生的安全事故。在使用过程中，隧道超前地质预报的重点应放在那些容易导致地质灾害的如围岩坍塌、突泥、突水等不良地质问题上。4）TSP系统能够对施工前方的地质变化情况（如软弱岩层、断层
表2TSP探测结果的解释和评估
破碎带等）进行长距离的预测，在掌子面前方100~150m范围内的准确率最高，在绝大多数岩层结构中，其有效预测范围都能达到100m左右，并且整个测量工作对正常施工的干扰微乎其微。
5）TSP系统虽然得到了不断的改进和完善，但到目前为止还无法对岩层中水的含量及出水地点进行准确预测，另外，炮点激发的误差、地震波波速与围岩的影响、测线排序和信号接受等问题还值得进一步的探索和研究。
隧道工程的涉及面广、系统性强，隧道超前地质预报只是其中的一个子系统，因此需要参与工程各方的协同配合才能有效开展。工程实践表明，超前地质预报能够有力保障施工安全和工期，具有良好的经济效益和社会效益。
３．４相关建议
预报段范围内YDK513+328～300、YDK513+290～277以及
YDK5I3+24541段的围岩强度低，情况较差，因此在施工前应做好充足的安全防范和地质勘查工作，并注意加强支护。其它段的围岩情况较为稳定，各项指数无明显变化，无明显断层。
4结语1）TSP是一种专门为地下工程研发的反射地震探测技术，在投入使用后，已经成功的对很多隧道工程施工过程中存在的不良地质问题进行了预报，为提高工程质量，保证施工安全做出了巨大的贡献。但也应注意到，TSP技术还只是一项仍在不断探索、研发和改进的隧道地质超前预报技术，虽然在成果解释和技术方法方面已经较为成熟，但是在对不同类型围岩的超前预报中，还存在一些尚未解决的问题，例如判断检
参考文献［］
[1]林才奎.复杂地质条件下隧道施工安全和保障技术[M].北京:人民交通出版社,2010.
[2]邓荣贵.泥巴山深埋特长隧道岩体工程问题研究[M].成都:西南交通大学出版社,2010.
[3]张庆贺.隧道及地下工程灾害防护[M].北京:人民交通出版社,2009.[4]彭立敏,刘小兵.隧道工程[M].长沙:中南大学出版社,2009.
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抗率的情况下，电压仍然达不到要求时，可再投入一组6%的串抗率的电容器组，此时3、5次谐波的放大不会很大，可有效的保护电器。以往各变电站安装的较多的均为串抗率为6%的电容器组，可对部分电容器组进行技改，将部分电容器改为12%的串抗率，另一部分则保留6%的串抗率的电容器组，可减少技改投资，同时，在投电容器组是，应优先投入12%串抗率的电容器组，在电压不够时再投6%的串抗率，电容器组的投退灵活有效。
３．３使用多组电容器
例如，消除上述电弧炉产生的3、5次谐波的一种方法是使用框架式电容器，既电容器由很多独立的电容器单元组成，当出现部分电容器芯损坏的情况时，可立即更换损坏的电容器芯，备品容易准备，更换方便，同时预试时容易检测各电容器单元的电容量变化情况。
4结语
随着我国城市化和现代化进程的不断加快，电力需求的增长也特
别迅速，电力系统的建设速度不断加快。谐波治理技术能够很好的消除谐波对电容器的损坏，延长其使用时间，缓解电力供需矛盾，改善供电质量，对我国经济发展贡献更大的力量。
参考文献［］
[1]FrancisicoC.DeLaRosa(美)著,赵琰,孙秋野译.电力系统与谐波[M].北京:
机械工业出版社,2009.
[2]张选正,徐智林,张金远.谐波治理与无功补偿技术问答[M].北京:化学工业出版社,2009.
[3]GeorgeJ.Wakileh(奥地利)著,徐政泽译.电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
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