諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害及預(yù)防措施資料

1、諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害及預(yù)防措施摘要:隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷提高,半導(dǎo)體器件的問(wèn)世發(fā)展,特別是大型可控硅及逆變器等非線性負(fù)載的逐步增多,而這些非線性負(fù)載能把高次諧波電流注入電網(wǎng)。從而引起電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流波形發(fā)生畸變,使電網(wǎng)受到嚴(yán)重污染。關(guān)鍵字:諧波趨膚效應(yīng)隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷提高,半導(dǎo)體器件的問(wèn)世發(fā)展,特別是大型可控硅及逆變器等非線性負(fù)載的逐步增多,而這些非線性負(fù)載能把高次諧波電流注入電網(wǎng)。從而引起電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流波形發(fā)生畸變,使電網(wǎng)受到嚴(yán)重污染。高次諧波就是頻率為基數(shù)倍的一系列波的“總匯”。工頻系統(tǒng)的二次諧波頻率為100HZ,三次諧波的頻率為150HZ,依次類推。電力系統(tǒng)中高次諧波與

2、基波合成的結(jié)果是造成電網(wǎng)電壓波形畸變的主要因素,高次諧波的畸變次數(shù)及振幅值的大小,將決定對(duì)電網(wǎng)污染,破壞的程度,及對(duì)用電設(shè)備的危害大小。高次諧波最主要來(lái)源于:個(gè)人計(jì)算機(jī),各種硅整流設(shè)備、含有二極管(電容式電源設(shè)備、電弧爐設(shè)備、中頻電源設(shè)備、各種變頻逆變器、斬波器等裝置。其中對(duì)電網(wǎng)污染最重、對(duì)用電設(shè)備危害最大的當(dāng)屬可控硅中頻電源和煉鋼用的電弧爐設(shè)備。下面主要討論高次諧波的危害及預(yù)防措施。一.高次諧波對(duì)各種電氣設(shè)備的危害:非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,能夠在電力系統(tǒng)的某些設(shè)備上明顯的反映出來(lái),常見(jiàn)的有變壓器和中性線。在電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和移相電容器中也有些表現(xiàn)。由于電壓畸變,所含的高頻成份將造成發(fā)電、輸電

3、、變電、配電和用設(shè)備過(guò)熱、損耗增大、系統(tǒng)過(guò)電壓、失控等。工頻電流在輸電導(dǎo)線截面內(nèi)是均勻分布的,而高頻電流則產(chǎn)生嚴(yán)懲的趨膚效應(yīng),使導(dǎo)線有效電阻增大。如300mm2導(dǎo)線,通過(guò)工頻電流時(shí),靠近中心一半工半面積上的電流密度為平均值的90%,表面一半面積上為100%,這時(shí),電流密度為平均值的90%,表面一半面積上為110%,這時(shí),電流在導(dǎo)體上的總的損耗為內(nèi)外兩部分之和。Ii2Ri+I02R0=(0.9/2I2.2R+(1.1/2I2.2R=1.01I2R隨著頻率的升高,趨膚效應(yīng)也越來(lái)越加顯著,有效電阻也越大。300HZ時(shí)為1.21倍,420HZ時(shí)為1.35I2R。由于電流波形畸變,流過(guò)導(dǎo)體的電流除基波外

4、,又增加了高次諧波電流分量。接有大量非線性負(fù)載的電網(wǎng)損耗將增大,導(dǎo)體發(fā)熱更加嚴(yán)重,系統(tǒng)用電設(shè)備也將工作不穩(wěn)定等。中性線:在三相四線制系統(tǒng)中,中性線將受到接在相電壓上的非線性負(fù)載的影響。在正常情況下,三相線性負(fù)載平衡時(shí),中性線的電流為零。當(dāng)存在非線性負(fù)載時(shí),某些高次諧波即奇次諧波會(huì)在中性線里疊加起來(lái)。如由三次諧波序列構(gòu)成的負(fù)載電流越來(lái)越多時(shí),更多的未被抵消的電流將會(huì)在中性線中流動(dòng)。在這種情況下,中性線的過(guò)電流還會(huì)在中性線和接地線間產(chǎn)生高于正常的電壓迭落。旭果中性線電流特別大,甚至超過(guò)其導(dǎo)線額定電流的80%,則必須要切除部分次要負(fù)載,否則就必須增加中性線的截面積。電力線路,當(dāng)諧波電流通過(guò)架空線時(shí),

5、可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振,甚至造成危險(xiǎn)的過(guò)電壓。電力電纜在諧波電壓作用下,其絕緣材料會(huì)因所含的少量氣體電離并經(jīng)一毓電氣、機(jī)械、物理和化學(xué)變化而加速老化。絕緣強(qiáng)度降低,泄漏電流增大,使壽命縮短。如正常工頻電流電壓下,壽命為25年,而在含有五次、七次諧波電流電壓作用下,壽命僅為9年。諧波的危害可見(jiàn)一般。高頻大幅度諧波還可能引起局部放電,產(chǎn)生內(nèi)部擊穿情況。實(shí)例1,我廠總降至鋼爐變壓器6KV油浸紙絕緣電纜,是80年前后鋪設(shè)的。該電纜于93年5月起,多次發(fā)生短路故障,最近的一次時(shí)間間隔為1個(gè)月。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)該電纜絕緣降低,泄漏增大,現(xiàn)在該電纜已報(bào)廢。電弧爐即上述提到產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備之一,是造成該電纜提早退出運(yùn)行

6、的原因。諧波對(duì)變壓器的危害:當(dāng)較高頻率的電流注入變壓器時(shí),將產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),在繞組中引起附加損耗與變壓器鐵芯有關(guān)的鐵損亦有增加。于是變壓器將產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。如果變壓器一次側(cè)接線為三角形,二次側(cè)接線為星形,那么非線性負(fù)載將使該變壓器承受額外過(guò)熱之害。由于非線性負(fù)載使支路電流含有較多高次諧波電流,而諸奇數(shù)諧波電流不但不能抵消,反而會(huì)疊加,以諧波電流在中性線中流動(dòng)。當(dāng)該電流返回星形結(jié)線的二次繞組時(shí),它被感應(yīng)到角結(jié)線的一次繞組,并形成環(huán)流。這個(gè)環(huán)流成為產(chǎn)生額外熱量的原因,且對(duì)諧波電流本身產(chǎn)生的熱量起助長(zhǎng)作用。諧波電壓還會(huì)使變壓器激磁電流增大,效率降低,功率因數(shù)變壞。當(dāng)諧波電壓長(zhǎng)期存在且較為嚴(yán)

7、重時(shí),將會(huì)危及變壓器主絕緣。對(duì)電容器的危害:由于電力系統(tǒng)線電壓的畸變,電力電容器損耗增加、過(guò)熱。電容器是頻率的敏感元件。電力電容器在電力系統(tǒng)中如同一個(gè)諧波吸收器,將使電容器嚴(yán)懲過(guò)電流。電容器和電力系統(tǒng)中的感性元件也能形成諧振電路,如果這個(gè)揩振回路的頻率等于或接近系統(tǒng)中某次諧波分量的頻率,就會(huì)產(chǎn)生諧振,造成過(guò)電壓、過(guò)熱。諧波對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的危害主要是電壓諧波畸變會(huì)使三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱,如長(zhǎng)期有諧波存在,將對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命構(gòu)成嚴(yán)重危脅。諧波對(duì)配電盤(pán)的危害的基本征兆是發(fā)熱,或是由過(guò)熱造成損壞。在配電盤(pán)里,可能出現(xiàn)的過(guò)熱點(diǎn)是中性母線及其連接點(diǎn),它們往往載有過(guò)量的中性線電流。諧波還會(huì)使各種表計(jì)誤差加大,

8、使電訊線路產(chǎn)生干擾。高次諧波其它危害還有:使半導(dǎo)體器件本身有誤觸發(fā)、丟脈沖等,使電力系統(tǒng)無(wú)功功率增加,功率因數(shù)下降。同時(shí)對(duì)一些電子設(shè)備,儀器也將產(chǎn)生程度不同的影響,以至于不能正常使用。實(shí)例二:筆者于97年,對(duì)我廠北方管件公司6KV電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)用儀器根本無(wú)法使用,升壓到1KV時(shí),儀器內(nèi)部保護(hù)即動(dòng)作?？諜C(jī)試驗(yàn)也無(wú)法升壓。當(dāng)時(shí)懷疑儀器本身有故障,可是該儀器在其它區(qū)域測(cè)試時(shí),一切正常。后來(lái),又到北方管件測(cè)試時(shí),一切正常。通過(guò)對(duì)該公司電源質(zhì)量的測(cè)量,發(fā)現(xiàn)該電源中工頻電流有嚴(yán)重的高次諧波,高次諧波是造成電子設(shè)備無(wú)法正常工作的主要原因。后期對(duì)高次諧波的產(chǎn)生,做出了相應(yīng)的預(yù)防措施。二.高次諧

9、波的防止對(duì)策:綜上所述,大量非線性負(fù)載的授入,交流工頻電流將成為含有高次諧波的畸變電流,它們流經(jīng)電源和系統(tǒng)中的阻抗時(shí),使供電電壓波形發(fā)生畸變,這給電網(wǎng)及系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備、儀器帶來(lái)很大的危害,因此,研究抑制消除電力系統(tǒng)中的高次諧波,確保電力系統(tǒng)免遭污染侵害是十分必要的。消除或抑制諧波的對(duì)策可以兩方面考慮。一是從非線性負(fù)載本身入手,使它們盡可能減少諧波電流的注入量。二是設(shè)法改變系統(tǒng)中諧波電流的流向,以消除和防止諧波的影響。通常的做法有:1.在非線性負(fù)載回路增設(shè)諧波濾波器。主要適用于可控硅整流裝置,中頻電源裝置及各種電子逆變器等。濾波器可以對(duì)某些諧波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收作用,以減少諧波電流有含量。采用單調(diào)

10、諧濾波器可以對(duì)513次諧波進(jìn)行濾波,對(duì)17次以上的諧波則應(yīng)采用高通濾波器結(jié)線。2.對(duì)非線性負(fù)載的供、配電回路要分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置,供電電變壓器必須使用Y/接線方式,即一次側(cè)為Y接,二次側(cè)為角接。其它用電設(shè)備不宜與非線性負(fù)載共用一臺(tái)供電變壓器,如從經(jīng)濟(jì)角度考慮,需用一臺(tái)變壓器供電時(shí)須對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流成份予以防治,以確保其它用電設(shè)備的可靠、安全使用。3.對(duì)變壓器的保護(hù)方法保護(hù)變壓器的一個(gè)途徑是把變壓器上的負(fù)載量限制在其額定值的某個(gè)百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國(guó)計(jì)算機(jī)和商業(yè)設(shè)備同業(yè)協(xié)會(huì)提供的方法。采用這種方法降低額定容量,必須測(cè)量變壓器二次側(cè)各相的有效值和瞬時(shí)尖峰值。這種方法比繁瑣,也不特別試用。在負(fù)載處安裝諧波濾波器,不但能消除該變壓器的諧波電流,而且可以防止高次諧波串至連接在這個(gè)電力系統(tǒng)上的其它易受影響的用電設(shè)備。也可以采用更強(qiáng)的冷卻方式,以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。4.保護(hù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方法:感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)供電線路電壓諧波畸變率特別敏感。一般經(jīng)驗(yàn)證明,電動(dòng)機(jī)供電電壓的總諧波的畸變率不應(yīng)超過(guò)5%。為此,感