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谐波对电网的危害及抑制方法

在供电系统中,谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。
一、谐波的成因
电网谐波来自于3个方面:
1.发电源质量不高产生谐波:发电机由于三相绕组在制作上很难做到****对称,铁心也很难做到****均匀一致和其他一些原因,发电源多少也会产生一些谐波,但一般来说很少。
2.是输配电系统产生谐波:输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大,其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。
3.是用电设备产生的谐波:晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。我们知道,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器,变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器,也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是****的谐波源。
变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。
电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波,平均可达基波的8%~20%,****可达45%。
气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏·安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏·安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。
家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是谐波的主要来源之一。
二、谐波对电网的危害
谐波污染对电网的影响主要表现在:
1.造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热灯,特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流,使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值,造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。
2.引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏;造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗,引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热,电容器损坏,并加速绝缘材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长,影响断路器的开断容器;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作,降低通信质量;增大附加磁场的干扰等。
(一)对电力电容器的影响
当配电系统非线性用电负荷比重较大,并联电容器组投入时,一方面由于电容器组的谐波阻抗小,注入电容器组的谐波电流大,使电容器过负荷而严重影响其使用寿命,另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时,引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此,电压谐波和电流谐波超标,都会使电容器的工作电流增大和出现异常,例如,对于常用自愈式并联电容器,其允许过电流倍数是1.3倍额定电流,当电容器的电流超过这一限制时,将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低,甚至造成损坏事故。同时,谐波使工频正弦波形发生畸变,产生锯齿状尖顶波,易在绝缘介质中引发局部放电,长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降,而容易导致电容器损坏。
按照电力系统谐波管理规定,电网中任何一点电压正弦波的畸变率(各次谐波电压有效值的均方根与基波电压有效值的百分比),均不得超过表1规定。
1 电网电压正弦波形畸变极限值
用户供电电压(kV)
总电压正弦波形畸变率极限值
各奇、偶次谐波电压正弦波形畸变率极限值(%)
0.38
5
4
2
6或10
4
3
1.75
35或66
3
2
1
110
1.5
1
0.5
(二)对电力变压器的影响
1.谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热,振动,噪声增大,绕组附加发热等。
2.谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。
3.变压器励磁电流中含谐波电流,引起合闸涌流中谐波电流过大,这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
(三)对电力避雷器的影响
变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长,能够延续数秒或更长的时间,有时还会引起谐振过电压,并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。
(四)对输电线路的影响
1.谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响,将产生附加损耗,使得输电线路损耗增加。特别是在电力系统三相不对称运行时,对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。
2.谐波污染增大了中性线电流,引起中性点漂移。在低压配电网络中,零序电流和零序性的谐波电流(3次,6次、9次……)不仅会引起中性线电流大大增加,造成过负荷发热,使损耗增加,而且产生压降,引起零电位漂移,降低了供电的电能质量。
(五)对电力电缆的影响
谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引发单相接地故障的可能性增加。
由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高,谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大,更容易发生故障。
(六)对继电保护及自动装置的影响
1.对继电保护及自动装置运行环境的影响
1)在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。
2)频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。
3)在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。
4)在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。
5)在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。
2.继电保护及自动装置利用的启动量小
利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。其中利用负序量启动的对谐波的敏感性****。
3.继电器或启动元件本身对谐波敏感
1)晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少,因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。
2)利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护,都会受到谐波的影响和干扰。
(七)对继电保护整定的影响
继电保护正常运行中,当电源谐波分量较高时,可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。当三相严重不对称时,在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下,可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰,而引起误动。如某地电气化铁路通车后,曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流,引起供电系统电能质量指标严重恶化,多次造成发电机的负序电流保护误动,主变压器的过电流保护装置误动,线路的距离保护振荡闭锁装置误动,高频保护收发讯机误动,母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。
近年来,微机保护装置的大规模使用,使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差,又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰,从而引起保护装置的误动或拒动。如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响,造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰,使差动保护动作跳闸的事故。
(八)对电力系统其他运行设备的影响
1.对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发电机,将产生附加损耗,引起发电机局部发热,降低绝缘强度。同时,由于输出的电压波形中产生附加谐波分量,使负载的同步发电机转子发生扭振,降低其工作寿命。
2.对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作,断路器的遮断能力降低,不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流,对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象,导致断路器触头烧损。
3.对消弧线圈的影响。当电网谐波成分较大时,发生单相接地故障,消弧线圈对谐波电流将可能不起作用,在接地点得不到的补偿,从而引发系统的故障扩大。
4.对载波通信的影响。高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声,数据传输失真,降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性,造成集中抄表系统中数据出错等故障。
(九)对电力用户的影响
用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。使用电能质量污染的电源,用电设备又可能成为新的污染源,而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括:对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。另外,还包括对电信通信造成影响,对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响,这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰,差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰,共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰,是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。
(十)对用户电动机的运行影响
谐波电流通过交流电动机,使谐波附加损耗明显增加,引起电动机过热,机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时,定子绕组上产生负序电流,并励磁产生负序旋转磁场,该制动磁场降低了电机的****转矩和过载能力,增加铜损,并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。负序性的谐波分量(5次、11次等)对电机的影响与负序电压的效果一样。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时,诱发谐振,会使电动机造成损坏。
(十一)对用户补偿电容器的影响
电网无功配置容量中电容器所占比例**大,其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量,不考虑装设点电能质量的实际污染情况,因此,运行点电能质量指标低时,常造成一些事故,如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断,甚至发生串并联谐振,引发电容器的谐波过电压与过电流,导致电容器爆炸等。另外,用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核,电容器很少按电网实际运行情况投切,甚至只投不切,无形中使电网电压失去了应有的调节裕度,使电压偏差等电能质量指标难以控制。
(十二)对用户自动控制装置的影响
随着数字控制技术的大规模使用,很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面,即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件,如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路,造成误动作等。
三、谐波的抑制方法
谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题,在供电系统中对谐波的抑制即为如何减少或****注入系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内,抑制谐波电流主要有以下三方面的措施。
(一)降低谐波源的谐波含量
在谐波源上采取治理措施,从源头上****限度地避免谐波的产生。这就需要在设计、制造和使用谐波源设备时,要注意谐波对供电系统及其供用电设备的影响,采取切实可行的治理措施。用电业务管理部门要严格把关,对于没有采取治理措施的谐波源用户,要禁止其入网运行。
(二)在谐波源处吸收谐波电流
这种方法是对已有谐波进行有效抑制的方法,也是目前电力系统使用**为广泛地抑制谐波的方法。其主要方法有以下几种:
1.无源滤波器
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、C、R元件构成谐振回路,当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时,即可阻止该次谐波流入电网。这种方法由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。
2.有源滤波器
有源滤波器即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。
3.防止并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。
4.加装静止无功补偿装置
快速变化的谐波源,如电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置,可有效减小波动的谐波量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因数。
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