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電力系統中諧波治理與諧波抑制

1概述
  在理想的情況下,優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓,但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形,即產生諧波。我們所說的供電系統中的諧波是指一些頻率(在我國取工業用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦分量又稱為高次諧波。在供電系統中產生諧波根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作中時向電源反饋高次諧波,導致供電系統的電壓、電流波形畸變,使電力質量變壞。因此,諧波是電力質量的重要指標之一。
  供電系統中的諧波問題已引起各界廣泛關注,為保證供電系統中所有的電氣、電子設備能在電磁兼容意義的基礎上進行正常、和諧的工作,必須采取有力的措施,抑制并防止電網中因諧波危害所造成的嚴重后果。
  2諧波源
  在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。
  在發電環節中對發電機的接線采取一些措施后,可以認為發電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。
  諧波的產生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備。
 。1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備如:變壓器、電抗器等;
 。2)以具有強烈非線性特性的電弧現象的設備如:氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;
 。3)以電力電子元件為基礎的電源的設備如:各種電力交流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓設備,大容量的電力晶閘管可控開關設備等,它們大量的用于化工、電氣化鐵道、冶金、礦山等工礦企業以及各式各樣的家用電器中。
  以上這些非線性電氣設備(或稱之非線性負荷)顯著的特點是他們從電網取用非正弦電流,也就是說即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于他們具有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓——電流特性,使得流過電網的電流是非正弦波的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產生了諧波,使電網電壓嚴重失真,此外電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能。
  接入低壓供電系統的非線性設備產生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩定的諧波電流電指這種諧波的幅度不隨時間變化,如視頻顯示設備和測試儀表等產生的諧波,這類設備電網來說表現為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產生的各次諧波的幅值隨時間變化,稱之為波動的諧波,這類設備對電網來說是一個隨時間變化的負載。
  隨著電力電子設備使用不斷增加,同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅,所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。  

3諧波危害
  3.1增加了發、輸、供和用電設備的附加損耗,使設備過熱,降低設備的效率和利用率
  由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍,高頻率電流過導體時,因集膚效應的作用,使導體對諧波電流的有效電阻增加,從而增加了設備的功率損耗,使導體的發熱嚴重。
 。1)對旋轉電機的影響
  諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁帶、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統中,用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此,諧波使電力用戶電動機附加損耗增加的影響最為顯著,由于電動機的出力一般不能按發熱情況來進行調整,由諧波引起電動機的發熱效應是按它能隨的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明,在額定出力下持續承受力3%額定電壓和負序電壓時,電動機的絕緣壽命要減少一半。因此,國際上一般建議在持續工作的條件下,電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。
  諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大。但諧波會產生顯著的脈沖轉矩,可能出現電機轉軸震動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發電機的轉子元件發生扭振,并使汽輪機葉產生疲勞循環。
 。2)對變壓器的影響
  諧波電流使變壓器的損耗增加,特別是3次及其倍數次諧波對三角連接的變壓器會在其繞組中形成環流,使繞組過熱;對全星形連接的變壓器,當繞組中性點接地,而該側電網中分布電容較大或裝有中性點接地的并聯電容器時,可能形成3次諧波諧振,使變壓器附加損耗增加。
 。3)對輸電線路的影響
  由于輸電線路阻抗的頻率特性,線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下,諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網的損耗中,變壓器和輸電線路的損耗占了大部分,所以諧波使電網網損增大。諧波還使三相供電系統中的中性線的電流增大,導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容。它們與產生諧波的設備組成串聯回路或并聯回路時,在一定的參數配合條件下,會發生串聯諧振或并聯諧振。一般情況下,并聯諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網的諧波的上頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區內時,會激勵電感、電容產生部分諧振,形成諧波放大。在這種情況下,諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼點保護裝置出現誤動,以至損壞設備,與此同時還可以產生相當大的諧波網損。對于電力電纜線路,由于電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍,而感抗約架空線路的1/2-1/3,因此更容易激勵出較大的諧波振和諧波放大,造成絕緣擊穿的事故。
 。4)對電力電容器的影響
  隨著諧波電壓的增高,會加速電容器的老化,使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加,從而容易發生故障和縮短電容器的壽命。另一方面,電容器的電容與電網的感抗組的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分諧波分量的頻率時,就會產生諧波放大,使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行,甚至損壞。
  3.2影響繼電和自動裝置工作的可靠性
  諧波對電力系統中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重,這是由于這負序(基波)量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘則后果嚴重),變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓保護誤動,母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動,嚴重威脅電力系統的安全進行。
  3.3使測量和計量儀器的指示和計量不準確
  由于電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的,當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時,會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下,諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能,從而諧波源雖然污染了電網,卻反而少交電費;而與此同時,在線性負荷用戶處,電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能,這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞,而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。
  3.4干擾通信系統的工作
  電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波通過磁場耦合,在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓,干擾通信系統的工作,影響通信線路通話的清晰度,而且在諧波和基波的共同作用下,觸發電話鈴,甚至在極端情況下,還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流域(HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3-10KHZ)會干擾電力載波通信的正常工作,并利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失損,影響電網運行的安全。

  3.5對用電設備的影響
  諧波會使電視機、計算機的圖形畸變,畫面亮度發生變化,并使機內的元件出現過熱,使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說,會因為在一定參數的配合下,形成某次諧波頻率下的諧振,使鎮流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置,諧波可能使晶閘管誤動作,或使控制回路誤觸發。
  4抑制諧波的主要措施
  諧波問題是關系到供電系統的供電質量的一個重要問題。它不但與供電部門有關而且還關系到廣大用戶和電器設備制造廠的切身利益。為減少供電系統的諧波問題,一般從管理和技術措施上采取以下幾個方面的對策:
 。1)增加換流裝置的相數
  換流裝置是供電系統的主要諧波源之一。理論分析表明,換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1pkp為整流相數或脈動數,k為正整數)。當脈動數由P=6增加東歐阿p=12時,可以有效的消除幅度較大的低頻率,(其特征諧波次數分別為12k±112k,從而大大地降低了諧波電流的有效值。
 。2)加裝濾波裝置(包括無源濾波和有源濾波裝置
  為了減少諧波對供電系統的影響,最根本的思想是從產生諧波的源頭抓起,設法在諧波源附近減少諧波電流,從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法,裝置交流濾波器,交流濾波器能有效地抑制諧波電流,是電網電壓畸變減輕,送電質量提高,同時反過來又使大功率負荷的效率充分發揮,壽命相對延長,濾波器提供的容性無功,還有一定的無功補償作用,使系統的功率因數提高。濾波器按主回路中是否含有源器件,可分為有源濾波器和無源濾波器兩類。
  附:減小諧波影響的技術措施
  

序號

名稱

內容

評價

1

增加換流裝置的脈動數(相數)

改造換流裝置或利用相互有一定移相角的換流變壓器

1可有效減小諧波量

2滑溜裝置容量應相等

3使裝置復雜化

2

加裝叫交流濾波裝置

在諧波源附近安裝若干單調諧波及高通濾波支路,以吸收諧波電流

1可有效減小諧波量

2應同時考慮功率因數和電壓調整效應

3裝置運行維護簡單,但需專門設計

3

改變諧波源的配置或工作方式

具在諧波互補性的裝置應集中,否則應適當分散或交錯使用,適當限制諧波量大的工作方式

1可以減少諧波的的影響

2對裝置的配置和工作方式有一定的要求

4

加裝串聯電抗器

在用戶進線處加串聯電抗器以增大和系統的電氣距離,減小諧波的相互影響

1可減小和系統的諧波相互影響

2應同時考慮功率因數補償和電壓調整效應

3運行維護簡單,但應專門設計

5

改善三項不平衡度

從電源電壓、線路阻抗、負荷特性等找出三項不平衡原因,加以消除

1可以有效的減小3次諧波的產生

2有利于設備的正常用電、減少損耗

3有時需要用平衡裝置

6

加裝靜止無功補償裝置(或稱動態無功補償裝置

采用TCR、TCTSR型靜態補償裝置時其容性部分設計成濾波器

1可以有效減小波動諧波源的諧波量

2有抑制波動、閃變、三項不對稱和補償功率因數的功能,具有綜合的技術經濟效益

3一次投資較大需專門設計

7

增加系統承受諧波能力

將諧波源由較大容量的供電點或由高一級電壓的電網供電

1可以減小諧波的影響

2在規劃和設計階段考慮

8

避免電力電容器組對諧波的放大

改變電容器組的串聯電抗器,或將電容器組的某些支路改為濾波器,或限定電容器組的投入容量

1可以有效地減小電容器組對諧波的放大并保證電容器組安全運行

2需專門研究

9

提供設備或裝置抗諧波干擾能力,改善諧波保護性能

改進設備或裝置性能對諧波敏感或裝置采用靈敏的諧波保護裝置

1適用于對諧波(特別是靜態過程中諧波較敏感的設備或裝置)

2需專門研究

10

采用有源濾波器等新型抑制諧波的措施

研制和逐步推廣

目前還只用于小容量諧波的補償,且造價較高,進行容量諧波補償,宜采用混合有源技術以獲得優良的性價比


【上一個】 UPS供電系統的諧波治理 【下一個】 如何解決電容器無功補償中的諧波治理問題


 · 電力系統中諧波治理與諧波抑制

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