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關(guān)鍵詞:諧波治理、有源電力濾波器、DVR電壓暫降調節器、SVG靜止無(wú)功發(fā)生器

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諧波對供電系統及其供用電設備的影響

發(fā)布時(shí)間:2012-03-13點(diǎn)擊次數:3289

 

在理想情況下,優(yōu)質(zhì)的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但是在實(shí)際中,供電電壓的波形會(huì )由于某些原因而偏離正弦波形,即產(chǎn)生諧波。我們所說(shuō)的供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國,取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦波分量,又稱(chēng)為高次諧波。在供電系統中,產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線(xiàn)性阻抗特性的電氣設備(又稱(chēng)為非線(xiàn)性負荷)供電的結果。這些非線(xiàn)性負荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波,導致供電系統的電壓、電流波形畸變,使電能質(zhì)量變壞。因此,諧波是反映電力質(zhì)量的重要指標之一。諧波的危害表現為引起電氣設備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱:使同步發(fā)電機的額定輸出功率降低,轉矩降低,變壓器溫度升高,效率降低,絕緣加速老化,縮短設備的使用壽命,甚至損壞降低繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會(huì )使無(wú)功功率加大,功率因數降低,甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振,損壞電氣設備以及干擾通信線(xiàn)路的正常工作。

       2諧波產(chǎn)生的原因
       在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉換和使用的各個(gè)環(huán)節中都會(huì )產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節,當對發(fā)電機的結構和接線(xiàn)采取一些措施后,可以認為發(fā)電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。在其它幾個(gè)環(huán)節中,諧波的產(chǎn)生主要來(lái)自下列具有非線(xiàn)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(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以電力電子元件為基礎的開(kāi)關(guān)電源設備,如各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開(kāi)關(guān)設備等,它們大量的用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線(xiàn)性電氣設備(或稱(chēng)之為非線(xiàn)性負荷)的顯著(zhù)特點(diǎn)就是它們從電網(wǎng)中取用非正弦電流。也就是說(shuō),即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們具有其電流而不隨著(zhù)電壓同步變化的非線(xiàn)性的電壓一電流特性,使流過(guò)電網(wǎng)的電流為非正弦波形,因此這種電流波形就由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產(chǎn)生了諧波,從而使電網(wǎng)電壓嚴重失真。此外,電網(wǎng)還必須向這類(lèi)負荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。
       接入低壓供電系統的非線(xiàn)性設備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化的諧波兩大類(lèi)。所謂穩定的諧波電流是指這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化,如視頻顯示設備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波,這類(lèi)設備對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)表現為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值會(huì )隨時(shí)間而變化,因而稱(chēng)之為波動(dòng)的諧波,這類(lèi)設備對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨時(shí)間變化的負載。隨著(zhù)電力電子設備使用的不斷增加,同時(shí)這些設備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅,所以它們是目前供電系統中的主要諧波源。

       3諧波對供電系統及其供用電設備的影響
       過(guò)去由于接入供電系統的非線(xiàn)性設備較小,在系統中引起的諧波電流也很小,因此對電力質(zhì)量的影響并不大。但隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,使用大功率半導體開(kāi)關(guān)器件以及各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源的產(chǎn)品的情況增多,如電視機、空調器、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐、信息技術(shù)設備等迅速涌入居民家庭。雖然每臺設備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大,但這些設備數量大、分布廣,且有些家用電器如電視機、空調器等在使用時(shí)具有集中的特點(diǎn),在某些時(shí)段會(huì )使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問(wèn)題特別突出。不但使接入該電網(wǎng)的設備無(wú)法正常工作,甚至會(huì )造成故障,而且還會(huì )使供電系統中性線(xiàn)承受的電流超載,影響供電系統的電力輸送。因此諧波問(wèn)題已引起各有關(guān)方面的高度關(guān)注。諧波對供電系統及其供用電設備的影響主要表現在以下幾個(gè)方面。
       3.1增加了發(fā)、輸、供和供用電設備的附加損耗,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為基波頻率的整數倍,高頻電流流過(guò)導體時(shí),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和電能損耗,使導體嚴重發(fā)熱。
       3.1.1對旋轉電機的影響
       諧波對旋轉電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應,磁滯、渦流等隨著(zhù)頻率的增高而使在旋轉電機的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗也在增加。在供電系統中,用戶(hù)的電動(dòng)機負荷約占整個(gè)負荷的85%。因此,諧波使電力用戶(hù)電動(dòng)機總的附加損耗增加的影響最為明顯。由于電動(dòng)機的出力一般不能按發(fā)熱情況進(jìn)行調整,由諧波引起電動(dòng)機的發(fā)熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來(lái)考慮的。試驗表明,在額定出力下持續承受為3%額定電壓的負序電壓時(shí),電動(dòng)機的絕緣壽命要減少一半。因此,國際上通常的作法是建議在持續工作的條件下,電動(dòng)機承受的負序電壓不宜超過(guò)額定電壓的2%。
       雖然諧波電流產(chǎn)生的諧波轉矩對電動(dòng)機的平均轉矩影響不大,但諧波會(huì )產(chǎn)生顯著(zhù)的脈;中轉矩,由此可能出現電機轉軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉子元件發(fā)生扭振,并使汽輪機葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。
       3.1.2對變壓器的影響
       諧波電流使變壓器的銅耗增加,特別是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器,會(huì )在其繞組中形成環(huán)流,導致繞組過(guò)熱;對全星形連接的變壓器,當繞組中性點(diǎn)接地,而該側電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí),可能形成3次諧波諧振,使變壓器附加損耗增加。
       3.1.3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)頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下,諧波電流使輸電線(xiàn)路的附加損耗也增加。在供應電網(wǎng)的損耗中,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)生諧波的設備形成串聯(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)生聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下,并聯(lián)諧波的諧振所產(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),導致?lián)p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,造成絕緣被擊穿的事故。
       3.1.4對電力電容器的影響
       隨著(zhù)諧波電壓的增高,一方面會(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)電壓等原因而不能正常地運行。
       3.2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諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源)則會(huì )引起發(fā)電機負序電流保護誤動(dòng)(若誤動(dòng)作后引起跳閘,則后果會(huì )相當嚴重)、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),就會(huì )嚴重威脅電力系統的安全運行。
       3.3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,這樣諧波源雖然污染了電網(wǎng),卻反而會(huì )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)性負荷性能變差,而且還要多交電費。電子式電能表則更不利于供電部門(mén)而有利于非線(xiàn)性負荷用戶(hù)。
  3.4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,不但在鄰近電力線(xiàn)的通信線(xiàn)路中會(huì )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,會(huì )觸發(fā)電話(huà)鈴響,甚至在某些嚴重的情況下,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。
       3.5對供用電設備的影響
       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,機內的元件出現過(guò)熱,從而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),因為在一定參數的配合下,會(huì )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,諧波可能會(huì )使晶閘管誤動(dòng)作或使控制回路誤觸發(fā)。

       4諧波的抑制方法
       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,在供電系統中對諧波的抑制即為如何減少或消除注入系統的諧波電流,以便把諧波電壓控制在限定值之內,抑制諧波電流主要有以下三方面的措施。
       4.1降低諧波源的諧波含量
       在諧波源上采取治理措施,從源頭上最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這就需要在設計、制造和使用諧波源設備時(shí),要注意諧波對供電系統及其供用電設備的影響,采取切實(shí)可行的治理措施。用電業(yè)務(wù)管理部門(mén)要嚴格把關(guān),對于沒(méi)有采取治理措施的諧波源用戶(hù),要禁止其入網(wǎng)運行。
       4.2在諧波源處吸收諧波電流
       這種方法是對已有諧波進(jìn)行有效抑制的方法,也是目前電力系統使用最為廣泛地抑制諧波的方法。其主要方法有以下幾種:
       (1)無(wú)源濾波器
       無(wú)源濾波器安裝在電力電子設備的交流側,由L、C、R元件構成諧振回路,當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí),即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。這種方法由于具有投資少、效率高、結構簡(jiǎn)單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點(diǎn),是目前采用的抑制諧波及無(wú)功補償的主要手段。
       (2)有源濾波器
       有源濾波器即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為零,達到實(shí)時(shí)補償諧波電流的目的。
       (3)防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大
       在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時(shí),在一定的參數下電容器組會(huì )對諧波起放大作用,危及電容器本身和附近電氣設備的安全??刹扇〈?lián)電抗器,或將電容器組的某些支路改為濾波器,還可以采取限定電容器組的投入容量,避免電容器對諧波的放大。
       (4)加裝靜止無(wú)功補償裝置
       快速變化的諧波源,如電弧爐、電力機車(chē)和卷?yè)P機等,除了產(chǎn)生諧波外,往往還會(huì )引起供電電壓的波動(dòng)和閃變,有的還會(huì )造成系統電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無(wú)功補償裝置,可有效減小波動(dòng)的諧波量,同時(shí),可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數。
       4.3改善供電環(huán)境
       選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或高一級電壓的電網(wǎng)供電,承受諧波的能力將會(huì )增大。對諧波源負荷由專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路供電,減少諧波對其它負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。

       5結束語(yǔ)
       諧波對供電系統及其供用電設備的影響,已經(jīng)引起了社會(huì )的廣泛關(guān)注。抑制諧波的影響,提高電能質(zhì)量是電力企業(yè)當前面臨的重大課題。它不僅要在電力系統中大力發(fā)展高效的濾波措施,還必須依靠全社會(huì )的努力,在設計、制造和使用非線(xiàn)性負載時(shí),采取有力地抑制諧波的措施,減小諧波侵入電網(wǎng),從而真正抑制諧波對供電系統及其供用電設備的影響。