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摘要：钢铁厂作为能源密集型行业的代表，其电力系统谐波问题日益突出，谐波不仅影响到电力设备的正常运行和寿命还可能导致电网稳定性下降，甚至影响周边环境和其他电力用户，因此钢铁厂电力系统的谐波产生及其治理成为当前亟待解决的技术难题。本文旨在系统分析钢铁厂电力系统中谐波的产生机制与特点，探讨谐波对钢铁厂电力系统的影响，提出针对性的解决方案，旨在为钢铁厂电力系统的稳定运行与能效提升提供技术支持和理论指导。

关键词：钢铁厂；电力系统；谐波

Abstract： As a representative of energy intensive industries， the harmonic problem in the power system of steel plants is becoming increasingly prominent. Harmonics not only affect the normal operation and lifespan of power equipment， but may also lead to a decrease in grid stability， and even affect the surrounding environment and other power users. Therefore， the generation and governance of harmonics in the power system of steel plants have become a technical problem that urgently needs to be solved. This article aims to systematically analyze the generation mechanism and characteristics of harmonics in the power system of steel plants， explore the impact of harmonics on the power system of steel plants， propose targeted solutions， and provide technical support and theoretical guidance for the stable operation and energy efficiency improvement of the power system of steel plants.

Keywords： steel plant; Power system; harmonic

“谐波”一词起源于声学，关于谐波的数学分析在18、19世纪已经奠定了基础，傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍然被广泛应用。20世纪20年代，电力系统的谐波问题开始引起人们的关注，到了20世纪50年代，全球各国都高度重视电网谐波问题，目前国际上普遍认为“谐波、电磁干扰、功率因数”是电网三大公害，其中谐波排名首位，因此研究减少电力系统谐波的方法显得尤为迫切。谐波的存在是电力系统在发电、输电和用电过程中不可避免的一个问题，其对发电、电能输送用用电方都会带来较大的影响，对电力系统带来较大的危害。

一、电力系统谐波概述

（一）谐波的定义和基本特性

谐波作为电力系统中的一种特殊现象，其定义是指电力系统中频率高于基波频率的电流或电压分量，这些分量通常以整数倍的形式出现，如基波频率的两倍、三倍等，它们与基波频率的波形不同，具有不同的振幅和相位，谐波的基本特性在于其非线性、非正弦性和周期性，这些特性使得谐波在电力系统中具有独特的传播和干扰方式。根据国际电工标准（IEC555-2，1982），谐波被定义为周期性量的傅里叶级数中大于基波频率的1倍的频率成分。以我国使用50Hz电源为例，基波频率为50Hz，5次谐波频率为250Hz，依此类推。根据国家标准《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549-93）的规定，供电系统允许的电压畸变率如表1所示[1]。

钢铁厂等重工业领域是谐波问题的高发区，由于大量使用非线性负载设备如电弧炉、轧钢机等，这些设备在工作过程中会产生大量的谐波，这些谐波不仅会影响设备自身的正常运行还会对电网造成污染，降低电能质量，因此深入理解和分析谐波的定义和基本特性，对于钢铁厂等工业领域的电力系统谐波治理具有重要意义。以钢铁厂为例，电弧炉作为主要的谐波源之一，其工作过程中产生的谐波电流会导致电网电压波形畸变增加电网损耗，轧钢机等设备在运行过程中也会产生大量的高次谐波，这些谐波会干扰其他设备的正常运行甚至引发故障，因此钢铁厂需要采取有效的谐波治理措施，降低谐波对电力系统的影响。

（二）谐波的来源与分类

谐波的来源多种多样，主要可分为电源侧谐波和负载侧谐波两大类，电源侧谐波主要来源于电力系统中的发电机、变压器等设备的非线性特性，这些设备在正常运行时会产生微量的谐波，然而当这些设备出现故障或运行不正常时谐波含量会显著增加，对电力系统的稳定运行构成威胁。负载侧谐波则是谐波的主要来源，占比高达70%左右，其中电力电子设备如整流器、变频器等是负载侧谐波的主要产生者，这些设备在工作过程中由于采用了大量的非线性元件，会产生大量的谐波电流注入电网，钢铁厂中的电弧炉、轧钢机等大型设备也是重要的谐波源，这些设备在运行时由于工作电流大、电压波动大，会产生丰富的谐波频谱，对电力系统的稳定运行造成严重影响。在交流电路中，基波和各次谐波的电压（）和电流（）可以通过傅里叶级数分解来计算，对于第n次谐波，其电压和电流可以表示为：

根据谐波的频率特性可以将其分为奇次谐波和偶次谐波，在钢铁厂电力系统中奇次谐波尤为突出，尤其是3次、5次和7次谐波，这些奇次谐波对电力系统的危害较大，会导致电气设备发热、振动和噪声增大，甚至引发设备故障，因此在钢铁厂电力系统中，对奇次谐波的治理尤为重要。

电力系统中的谐振频率（）可以通过系统的电容（C）和电感（L）计算得出：

二、钢铁厂电力系统结构和谐波来源

（一）钢铁厂电力系统组成

钢铁厂电力系统组成复杂，涵盖了从发电、输电到配电的各个环节，其中大型高炉、转炉和轧机等关键设备是主要的电力负荷，它们对电能的稳定性和质量有着极高的要求。在电力网络中各种设备之间的相互影响和制约关系十分复杂，例如大型高炉的启动和停机对电网的冲击较大，会导致电压波动和频率偏差；而轧机等设备的运行则对电能的稳定性和连续性有着极高的要求，因此钢铁厂电力系统的设计和运行需要充分考虑各种设备的特性和需求，确保整个系统的稳定运行[2]。

（二）主要谐波源设备与负荷特征

在钢铁厂电力系统中主要谐波源设备与负荷特征对谐波的产生和传播具有显著影响，以电弧炉为例，作为钢铁生产中的关键设备，其运行过程中产生的谐波电流尤为突出，电弧炉的负荷特性表现为非线性、冲击性和不对称性，这些特性导致其在工作过程中产生大量的高次谐波。轧钢机也是钢铁厂中重要的谐波源设备之一，轧钢机在轧制过程中由于轧辊与钢材之间的摩擦和变形，会产生大量的谐波电流，这些谐波电流不仅影响轧钢机的正常运行还会对周边设备造成干扰。

三、谐波对钢铁厂电力系统的影响

（一）对电气设备运行效率的影响

钢铁厂依赖大量的电力设备来保证生产流程的连续性和效率，这些设备如电动机、变压器和电力电子设备等在日常运行中会受到谐波的显著影响，谐波通过导致电压和电流的畸变直接影响电气设备的正常运行和效率。高次谐波尤其容易导致电动机的额定功率下降，从而影响到生产设备的正常运转和能效，例如电动机运行在谐波电流影响下会导致电磁力的不均匀分布，增加机械磨损加速设备老化，谐波引起的电流浪涌和热效应可能导致电气设备过热，进一步缩短设备的使用寿命。谐波还会干扰电力电子设备的控制系统，影响其精确性和响应速度从而影响整个生产过程的自动化和精确度，在钢铁生产过程中任何生产环节的故障或延迟都可能导致整个生产流程的停顿，进而影响生产效率和经济效益[3]。

（二）对电力设备寿命的影响

在钢铁厂电力系统中由于大量非线性负载的存在，谐波污染问题尤为突出，这些谐波电流和电压会导致电力设备内部产生额外的热量和机械应力，从而加速设备的老化过程，谐波会导致变压器、电动机等设备的绝缘材料受到损害，由于谐波电流的频率较高，它会在绝缘材料中引发局部放电现象进而破坏绝缘材料的结构缩短其使用寿命，谐波还会引起电气设备的过热现象，导致设备内部的金属部件发生热疲劳和蠕变降低设备的机械强度。

（三）对电力质量和稳定性的影响

谐波导致的电压和电流畸变可能导致电力系统中的电力质量问题，电压畸变会使得电力系统中的峰值电压增加，从而影响设备的安全运行和电气绝缘的稳定性，频率扭曲和电流不平衡也会导致电力系统中的功率因数变差，增加电网的无功功率负荷降低能源利用效率。谐波对电力系统的稳定性也具有潜在影响，高水平的谐波电流会导致电网的频率扰动和电压波动，影响电力系统的动态响应能力和稳定性，这种稳定性问题不仅会影响到钢铁厂内部的电力设备和生产过程，还可能扩展到周边电力用户甚至影响整个电网的运行稳定性[4]。

四、钢铁厂谐波治理措施

（一）被动治理措施

（1）滤波器的应用。滤波器能够有效地滤除电力系统中的谐波成分，提高电能质量降低谐波对设备和系统的影响，滤波器通常被安装在谐波源附近，通过吸收或抵消谐波电流达到治理谐波的目的。滤波器的选择和应用需要根据钢铁厂的实际情况进行，不同类型的滤波器具有不同的滤波效果和适用范围，因此需要根据谐波源的特性、谐波水平以及治理目标等因素进行综合考虑，滤波器的安装位置、容量以及运行方式等也需要进行精心设计以确保其能够发挥最大的治理效果。

（2）改善无功功率因数。钢铁厂可以通过安装无功补偿装置来提高无功功率因数，这些装置能够实时检测电网中的无功功率需求并自动投入或退出电容器组以维持电网电压的稳定，例如某钢铁厂通过安装无功补偿装置，成功将无功功率因数从0.8提升至0.95，显著降低了线路损耗和电压波动。钢铁厂还可以通过优化设备选型和使用方式减少无功功率的产生，例如在选择电动机时可以优先考虑高效节能型电动机，其功率因数较高能够减少无功功率的消耗，钢铁厂还可以采用合理的运行方式，避免设备空载或轻载运行以减少无功功率的产生[5]。

（二）主动治理措施

（1）使用主动谐波过滤器。相较于被动治理措施，主动谐波过滤器能够实时检测并主动消除谐波，显著提高电力系统的稳定性和电能质量，主动谐波过滤器的应用不仅体现在钢铁厂电力系统的谐波治理上，还可以与其他治理措施相结合形成综合治理方案，例如通过优化能量管理系统，结合主动谐波过滤器的使用可以进一步提高电力系统的稳定性和电能质量，主动谐波过滤器还可以与无功功率补偿装置配合使用，共同改善电力系统的功率因数提高电能利用效率[6]。

（2）采用多脉波整流技术。在钢铁厂电力系统中采用多脉波整流技术是一种有效的主动谐波治理措施，该技术通过增加整流器的脉波数，使得整流器输出的电流波形更加接近正弦波从而有效减少谐波的产生，多脉波整流技术在实际应用中取得了显著的效果。多脉波整流技术的优势在于其能够从根本上减少谐波的产生，而不是仅仅对谐波进行被动治理，通过优化整流器的设计使得整流器输出的电流波形更加平滑从而减少了谐波对电力系统的负面影响，该技术还具有较高的可靠性和稳定性，能够确保电力系统的安全稳定运行[7]。

（3）能量管理系统的优化。通过引入先进的能量管理系统，钢铁厂能够实现对电力负荷的实时监测、分析和优化从而有效降低谐波水平，提高电力系统的运行效率。在能量管理系统的优化过程中数据分析与模型预测是关键环节，通过对历史电力数据的分析，钢铁厂可以了解谐波产生的规律和特点为制定针对性的治理措施提供依据，利用先进的预测模型，钢铁厂可以预测未来电力负荷的变化趋势，提前调整电力设备的运行状态避免谐波的产生，能量管理系统的优化还需要注重与其他系统的协同配合，如与自动化控制系统、生产管理系统等的集成，以实现电力系统的全面优化[8]。

五、结束语

谐波的产生源于电弧炉、轧钢机等大型设备的非线性特性，其频率和振幅对电力设备和系统造成严重影响，包括降低设备寿命、影响电力质量和稳定性。为了有效治理这些问题，钢铁厂可以采取多种措施，如滤波器的应用、改善无功功率因数、使用主动谐波过滤器以及优化能量管理系统等，这些措施不仅可以减少谐波对设备的影响，还能提高电力系统的运行效率和稳定性，保证生产过程的连续性和设备的长期可靠运行。

参考文献：

[1]邱飞.矿山电力系统谐波的危害与治理探讨[J].电气技术与经济，2024，（05）：348-350.

[2]刘建锋，周亚茹，李志远.基于EEWT的电力系统超高次谐波检测[J].电力电子技术，2024，58（02）：39-42.

[3]夏东升，孙晓波，朱长银，等.便携式电力系统谐波分析仪的设计与实现[J].光源与照明，2024，（01）：158-161.

[4]邓颖.大型救助打捞船谐波分析及推进系统配置研究[J].产品可靠性报告，2024，（01）：147-149.

[5]李京，甘德强，倪秋龙，等.电力系统摇摆方程的侵入式谐波解及分析[J].电网技术，2024，48（05）：2022-2030.

[6]姜一帆，侯良生，徐青.船舶电力推进系统谐波抑制仿真研究[J].能源工程，2023，43（06）：60-67.

[7]施滨，郑全新.电力系统谐波抑制仿真研究[J].科技资讯，2023，21（20）：54-57.

[8]李贺昌，程宝芳，蒋海牙.钢铁厂电力系统谐波产生及治理研究[J].冶金动力，2018，（05）：16-18.