供電系統中的諧波及其抑制

1.概述在理想情況下，高質(zhì)量的電源應該提供正弦波形的電壓。然而，在實(shí)踐中，由于某些原因，電源電壓的波形會(huì )偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。供電系統中的諧波是指頻率為基頻整數倍的正弦波分量(內工業(yè)也稱(chēng)高次諧波。在供電系統中，諧波產(chǎn)生的根本原因是向具有非線(xiàn)性阻抗特性的電氣設備(也稱(chēng)為非線(xiàn)性負載)供電的結果。這些非線(xiàn)性負載在運行過(guò)程中向電源反饋高次諧波，導致電源系統中電壓和電流波形失真，電能質(zhì)量惡化。因此，諧波是電能質(zhì)量的重要指標之一。諧波的危害表現為造成電氣設備(電機、干式變壓器、電容器等)的附加損耗和發(fā)熱。):降低同步發(fā)電機額定輸出功率、轉矩、升高干式變壓器溫度、降低效率、加速絕緣老化、縮短使用壽命、甚至損壞：降低繼電保護、控制和檢測裝置等的工作精度和可靠性。諧波注入電網(wǎng)后，無(wú)功功率會(huì )增加，功率因數會(huì )降低，甚至會(huì )引起并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備，干擾通信線(xiàn)路的正常運行。供電系統中的諧波問(wèn)題已經(jīng)引起了社會(huì )各界的廣泛關(guān)注。為了保證供電系統中的所有電氣電子設備都能在電磁兼容的基礎上正常和諧地工作，必須采取有效措施抑制和防止電網(wǎng)諧波危害造成的嚴重后果。第二，諧波的產(chǎn)生原因會(huì )產(chǎn)生在電力生產(chǎn)、輸送、轉換和使用的各個(gè)環(huán)節。在發(fā)電中，對發(fā)電機的結構和接線(xiàn)采取一些措施后，可以認為發(fā)電機提供的電壓是基頻的正弦波形。在其他環(huán)節，諧波主要來(lái)自以下具有非線(xiàn)性特性的電氣設備：(1)不準備具有鐵磁飽和特性的鐵芯，如干式變壓器、電抗器等；(2)以具有強非線(xiàn)性特性的電弧為工作介質(zhì)的設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等。(3)基于電力電子元件的開(kāi)關(guān)電源設備，如各種功率變換器設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速調壓裝置、大容量功率晶閘管可控開(kāi)關(guān)設備等。廣泛應用于化工、電氣化鐵路、冶金、礦山及各種家用電器等工礦企業(yè)。這些非線(xiàn)性電氣設備(或稱(chēng)為非線(xiàn)性負載)的顯著(zhù)特點(diǎn)是它們從電網(wǎng)中獲取非正弦電流，也就是說(shuō)，即使電源向這些負載提供正弦電壓，流經(jīng)電網(wǎng)的電流也是非正弦的，因為它們只具有電流不隨電壓同步變化的非線(xiàn)性電壓電流特性。該電流波形由基波和基波頻率整數倍的諧波組成，即產(chǎn)生諧波，嚴重扭曲電網(wǎng)電壓。非線(xiàn)性設備接入低壓供電系統產(chǎn)生的諧波電流可分為穩定諧波和變化諧波。所謂穩定諧波電流是指這種諧波的幅值不隨時(shí)間變化而產(chǎn)生的諧波，如視頻顯示設備、測試儀器等。這種設備給電網(wǎng)帶來(lái)恒定的負荷。激光打印機、復印機、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化，稱(chēng)為波動(dòng)諧波。對于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，這種設備是一種隨時(shí)間變化的負載。隨著(zhù)電力電子器件的日益增多，這些器件產(chǎn)生的諧波幅度越來(lái)越大，是目前供電系統中的主要諧波源。三、諧波的危害在過(guò)去，由于與供電系統相連的非線(xiàn)性設備很小，系統中求助引起的諧波電流很小，所以對電能質(zhì)量的影響很小。 #p#分頁(yè)標題#e#

隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品采用大功率半導體開(kāi)關(guān)器件和各種開(kāi)關(guān)電源，如電視機、空調、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐、信息技術(shù)設備等。迅速涌入家庭。雖然每個(gè)裝置注入電網(wǎng)的諧波電流并不大，但這些裝置數量多，分布廣。有些家用電器，如電視機、空調等，在使用時(shí)具有集中性的特點(diǎn)，會(huì )使注入電網(wǎng)的諧波電流引起的諧波問(wèn)題特別突出，不僅會(huì )使接入電網(wǎng)的設備無(wú)法正常工作，甚至出現故障，還會(huì )使供電系統零線(xiàn)承受的電流過(guò)載，影響供電系統的輸電。因此，諧波問(wèn)題一直受到有關(guān)各方的高度重視。供電系統中諧波的危害主要表現在以下幾個(gè)方面。1.發(fā)電、輸電、供電和用電設備的附加損耗增加，使設備過(guò)熱，降低設備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率是基頻的整數倍，當高頻電流流經(jīng)導體時(shí)，導體對諧波電流的有效電阻由于趨膚效應而增大，從而增加了設備的功率損耗和電能損耗，導致導體發(fā)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(chǎn)生附加損耗和轉矩。隨著(zhù)頻率的增加，趨膚效應、磁滯、渦流等。增加旋轉電機鐵芯和繞組的額外損耗。在供電系統中，用戶(hù)的電機負荷約占總負荷的85%。因此，諧波對電動(dòng)機總附加損耗的增加影響較大。由于電機的輸出不能根據發(fā)熱情況進(jìn)行調節，因此通過(guò)將其能承受的諧波電壓轉換成等效的基波負序電壓來(lái)考慮諧波對電機的發(fā)熱效應。試驗表明，在額定輸出下，保持3倍額定電壓的負序電壓，電機的絕緣壽命將縮短一半。因此，際上一般建議在連續運行的閾值下，電機的負序電壓不超過(guò)額定電壓的2倍。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉矩對電機平均轉矩影響不大，但諧波會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的脈沖轉矩，可能導致電機軸扭振的問(wèn)題。該振蕩力矩導致渦輪發(fā)電機轉子元件的扭轉振動(dòng)和渦輪葉片的疲勞循環(huán)。(2)諧波電流對干式變壓器的影響增加了干式變壓器的銅耗，特別是三次諧波及其多次諧波會(huì )在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱。對于全星接干式變壓器，當繞組中性點(diǎn)接地，且側電網(wǎng)分布電容較大或安裝中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能會(huì )形成三次諧波諧振，增加干式變壓器的附加損耗。(3)對輸電線(xiàn)路的影響由于輸電線(xiàn)路阻抗的頻率特性，線(xiàn)路電阻隨著(zhù)頻率的增加而增加。

在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線(xiàn)路的附加損耗增加。在供應電網(wǎng)的損耗中，干式變壓器和輸電線(xiàn)路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統中的中性線(xiàn)的電流增大，導致中性線(xiàn)過(guò)載。輸電線(xiàn)路存在著(zhù)分布的線(xiàn)路電感和對地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數配合條件下，會(huì )發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過(guò)電壓和過(guò)電流對相關(guān)設備的危害性較大。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò )諧振點(diǎn)附近的諧振區內時(shí)，會(huì )激勵電感、電容產(chǎn)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(huì )引起繼電保護裝置出現誤動(dòng)，以至損壞設備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線(xiàn)路，由于電纜的對地電容比架空線(xiàn)路約大10-20倍，而感抗約為架空線(xiàn)路的1/2-1/3，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。(4)對電力電容器的影響 隨著(zhù)諧波電壓的增高，會(huì )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(fā)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(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運行。2、影響繼電保護和自動(dòng)裝置的工作和可靠性 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(dòng)裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(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(huì )引起發(fā)電機負序電流保護誤動(dòng)(若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴重)、變電站主變的復合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護裝置負序電壓元件誤動(dòng)，母線(xiàn)差動(dòng)保護的負序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線(xiàn)路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動(dòng)準同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴重威脅電力系統的安全運行。3、使測量和計量?jì)x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(shí)，會(huì )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(hù)處的電能表記錄了該用戶(hù)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(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時(shí)，在線(xiàn)性負荷用戶(hù)處，電能表記錄的是該用戶(hù)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(xiàn)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(mén)而有利于非線(xiàn)性負荷用戶(hù)。4、干擾通信系統的工作 電力線(xiàn)路上流過(guò)的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過(guò)磁場(chǎng)耦合，在鄰近電力線(xiàn)的通信線(xiàn)路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線(xiàn)路通話(huà)的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話(huà)鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì )威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流(HVDC)換流站換相過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲(3-10kHz)會(huì )干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。5、對用電設備的影響 諧波會(huì )使電視機、計算機的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機內的元件出現過(guò)熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動(dòng)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(lái)說(shuō)，會(huì )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(guò)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(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。四、抑制供電系統諧波的一般對策 諧波問(wèn)題是關(guān)系到供電系統的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問(wèn)題，它不但與供電部門(mén)有關(guān)，而且還關(guān)系到廣大電力用戶(hù)扣電器設備制造廠(chǎng)的切身利益。為減少供電系統的諧波問(wèn)題，一般從管理上和技術(shù)措施上采取以下幾方面的對策：1、貫徹執行有關(guān)諧波的家標準，加強諧波管理 我于1998年12月14日發(fā)布了家標準GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技術(shù)內容上與該際標準完全一致。GB17625.1規定了準備接入公用低壓配電系統中的電氣、電子設備(每相輸入電流≤16A)可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過(guò)試驗證實(shí)符合該標準限值要求的設備才能接入到配電系統中。這樣就可以對低壓電氣及電子產(chǎn)品注入供電系統的總體諧波電流水平加以限制。 該標準對以下四類(lèi)沒(méi)備確定了諧波電流時(shí)發(fā)射限值：A類(lèi)設備：平衡的三相設備以及除B、C和D類(lèi)外的所有其它設備；B類(lèi)設備：便攜式電動(dòng)工具；C類(lèi)設備：包括調光裝置的照明設備：D類(lèi)設備：輸入電流具有標準所定義的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的設備。 該標準還規定了試驗電路和對試驗電源的要求、對測量設備的要求和試驗條件等內容。目前，全電磁兼容標委會(huì )正在組織有關(guān)專(zhuān)家對GB17625.1進(jìn)行修訂，使該標準更加適應市場(chǎng)的需求和操作更容易、簡(jiǎn)便。 此外，1993年頒發(fā)的家標準GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶(hù)注入電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的作用。 認真貫徹執行有關(guān)家標準關(guān)于限制諧波的規定，就能從總體上控制供電系統中的諧波水平，保證供電系統供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。2、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(chǎn)生的特征諧波次數分別為pk±1和pk(p為整流相數或脈動(dòng)數，k為正整數)。當脈動(dòng)數由p=6增加到p=12時(shí)，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。3、增裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置，提高供電系統承受諧波的能力 在技術(shù)經(jīng)濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置：靜止無(wú)功補償裝置(SVC-StaticVarCompensator)或更先進(jìn)的靜止同步補償裝置(STATCOMStaticSynchroncusCompensator)，以獲得補償負荷快速變動(dòng)的無(wú)功需求、改善功率因數、濾除系統諧波、減少向系統注入諧波電流、穩定母線(xiàn)電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統承受諧波的能力。4、加裝濾波裝置(包括無(wú)源濾波和有源濾波裝置) 為了減少諧波對供電系統的影響，較根本的思想是從產(chǎn)生諧波的源頭抓起，設法在諧波源附近防讓諧波電流的產(chǎn)生，從而降低諧波電壓。防止諧波電流危害的方法，一是被動(dòng)地防御，即在已產(chǎn)生諧波的情況下，采用傳統的無(wú)源濾波方法(由一組無(wú)源元件：電容器、電抗器和電阻器組成的調諧濾波裝置)，減輕諧波對電氣設備的危害。另一種方法是主動(dòng)的預防諧波電流的產(chǎn)生，即有源濾波方法。其原理是利用可關(guān)斷電力電子器件產(chǎn)生與負荷電流中的諧波分量大小相等，相位相反的電流來(lái)消除諧波。 總之，一方面要嚴格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護性能，以做到真正意義上的電磁兼容。 五、結束語(yǔ) 解決供電系統中的諧波問(wèn)題，必須要供電部門(mén)、電力用戶(hù)和設備制造商三方面都以電磁兼容的思想為基本出發(fā)點(diǎn)。一方面，產(chǎn)生諧波的部門(mén)和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；另一方面，供電部門(mén)和電力用戶(hù)都要想方設法提高設備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方面齊心協(xié)力才能搞好治理諧波這項系統工程的工作。#p#分頁(yè)標題#e#

來(lái)源：中電力諧波監測及濾波工程技術(shù)網(wǎng)