電網(wǎng)中高次諧波的危害及抑制措施.doc

電力電子技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了近代電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時(shí)也給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題。高次諧波已成為電力系統(tǒng)的一大“公害”，必須采取有效的措施來(lái)加以抑制。本文介紹了電網(wǎng)中諧波污染的原因及對(duì)系統(tǒng)設(shè)備造成的危害，并探討了其有效的抑制方法。關(guān)鍵詞：高次諧波; 電網(wǎng); 諧波抑制 引言隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大量的非線性用電設(shè)備廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業(yè)領(lǐng)域，如電解裝置、電氣機(jī)車、軋鋼機(jī)械和高頻設(shè)備等接入電力網(wǎng)，是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴(yán)重，降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。1. 諧波產(chǎn)生的原因電力網(wǎng)中的諧波有多種來(lái)源 ，在電力的生產(chǎn)，傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。 在其它幾個(gè)環(huán)節(jié)中，諧波的產(chǎn)生主要是來(lái)自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備：(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒(méi)備，如：變壓器、電抗器等；(2)以具有強(qiáng)烈非 線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如：氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；(3)以電力電子元件為基礎(chǔ)的開(kāi)關(guān)電源設(shè)備，如：各種電力變流設(shè)備(整流 器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)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。以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著的特點(diǎn)是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流，即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓，但由于它們 只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(guò)電網(wǎng)的電流是非正弦波形的，這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn) 生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。接入低壓電力系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定 的諧波和變化的諧波兩大類。穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化，如視頻顯示設(shè)備和測(cè)試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為恒定的負(fù) 載。由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化，稱之為波動(dòng)的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。2. 諧波的危害 大量諧波電流流入電網(wǎng)后，由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質(zhì)量變差。當(dāng)注入公用電網(wǎng)的諧波超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)對(duì) 電網(wǎng)自身及用電設(shè)備的正常運(yùn)行造成損害：在某些時(shí)段會(huì)使注入到電網(wǎng)的諧波電流對(duì)公用電網(wǎng)造成的諧波問(wèn)題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無(wú)法正常工作， 甚至造成故障，而且還會(huì)使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問(wèn)題得到各有關(guān)方面的高度重視。電網(wǎng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備的效率和利用率。(1) 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響 諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電 系統(tǒng)中，用戶的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響最為顯著。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3% 額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。因此，國(guó)際上一般建議在持續(xù)工作的條件下，電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過(guò)額定電壓的2%。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問(wèn)題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。(2) 對(duì)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(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)按地，而該側(cè)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) 對(duì)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(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應(yīng)電網(wǎng)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(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導(dǎo)致中性線過(guò)載。輸電線路存在著分布的線路電感和對(duì)地電 容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數(shù)配合條件下，會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。當(dāng)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(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)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(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以至損壞設(shè)備，與此 同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。(4) 對(duì)電力電容器的影響隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)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(yùn)行。 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性 諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置，整定值小、靈敏度高。如果 在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧陸等諧波源還是負(fù)序源)則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)(若誤動(dòng)引起跳閘，則后果嚴(yán)重)、變電站主變 的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置 等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。 使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。這部分諧波電能不但使線性負(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。 干擾通信系統(tǒng)的工作 電力線路上流過(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，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)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(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)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(hù)裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。 對(duì)用電設(shè)備的影響 諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波