諧波危害分析

諧波危害的詳細(xì)分析一、對(duì)輸電線路的影響諧波對(duì)電暈起始和熄滅的影響是峰一峰電壓的函數(shù)。峰值電壓與諧波和基波的相角關(guān)系有關(guān)，所以即使有效值電壓在限值以內(nèi)而峰值電壓高出額定值也是可能的。因此,在輸電線路的設(shè)計(jì)中要適當(dāng)考慮這一影響,以降低事故的可能性。超高壓長(zhǎng)距離輸電線路，常采用單相自動(dòng)重合閘來提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。較大的高次諧波電流（幾十安培以上）能顯著地延緩潛供電流的熄滅,導(dǎo)致單相重合閘失敗或不能采用較小的自動(dòng)重合閘時(shí)間，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行.在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增加了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度。這一影響增大了局部放電、介損和溫升，縮短了電纜的使用壽命，增加了事故次數(shù)。電纜的額定電壓等級(jí)越高，諧波引起的上述危害也越大。諧波電流流過導(dǎo)體表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng).集膚效應(yīng)是指導(dǎo)體中有交流電流流過或者處于交變電磁場(chǎng)中，由于電磁感應(yīng)使電流或磁通在導(dǎo)體中分布不均勻，越接近表面處電流密度或者磁通密度越大的現(xiàn)象。電流頻率越高，導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率越大，趨膚厚度就越小,這時(shí)只要導(dǎo)體的截面積稍大，集膚效應(yīng)就會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重，使導(dǎo)體的電阻增大?；タ拷膶?dǎo)體中流過交流電流時(shí)，每一個(gè)導(dǎo)體不僅處于自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，同時(shí)還處于其他導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，這時(shí)各個(gè)導(dǎo)體中電流的分布和它單獨(dú)存在時(shí)不一樣,會(huì)受到鄰近導(dǎo)體的影響，這種現(xiàn)象叫做鄰近效應(yīng)。電流頻率愈高，導(dǎo)體靠得愈近，鄰近效應(yīng)愈顯著。鄰近效應(yīng)和集膚效應(yīng)是共存的，它會(huì)使導(dǎo)體中電流的分布更加不均勻,使導(dǎo)體的電阻更加增大。以上兩種現(xiàn)象都會(huì)使線路或設(shè)備產(chǎn)生更多的附加發(fā)熱,從而影響絕緣壽命。除此之外,由于諧波電流會(huì)產(chǎn)生較高頻率的電場(chǎng)，這種情況下絕緣的局部放電加劇，介質(zhì)損耗顯著增加,致使溫升增加,也會(huì)影響絕緣壽命。電流流過導(dǎo)體,其熱效應(yīng)會(huì)引起導(dǎo)體發(fā)熱，其大小由下面的公式?jīng)Q定：acI為線路電流的有效值，用下式表示：I=\；I2+12+I2+???+12=I%1+THDi2,12 3 n1式中：THDi—諧波電流的畸變率；12、I3、…I—2、3…n諧波電流有效值；I1—基波電流。可以看出，沒有諧波電流時(shí)，電流的有效值就是基波電流的大小,但是當(dāng)諧波畸變率達(dá)到100%時(shí)，電流的有效值則比基波電流增大將近50%。Rc是導(dǎo)體的交流電阻，用下式表示：Rac=kR/J卜,,+kpe)Rdc式中:kc—交流電阻和直流電阻的比值，也叫附加損耗系數(shù);k—集膚效應(yīng)引起的電阻增大系數(shù)；sek—鄰近效應(yīng)引起的電阻增大系數(shù)；peR—導(dǎo)體的直流電阻。dc從式可以看出影響線路損耗的因素有兩個(gè)：電流和電阻，它們同時(shí)又分別受其他因素制約。電流的大小主要由負(fù)載情況決定，電阻則受電流頻率、導(dǎo)體材質(zhì)和尺寸的影響.一般情況下，由于諧波含量很低，可以忽略高頻信號(hào)的影響，認(rèn)為kc等于0。但是當(dāng)諧波畸變率高時(shí)，高頻信號(hào)的影響就必須考慮了。前面已經(jīng)提到，電流頻率越高，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)就越明顯，kc也越大。線路損耗的增加必然導(dǎo)致線路溫度的升高，導(dǎo)線外面包有絕緣層和保護(hù)層，溫度的分析較為復(fù)雜,這里通過分析裸導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線溫度的定性判斷。對(duì)于裸導(dǎo)體，流過一定電流時(shí)，其穩(wěn)定溫升有下面的公式：I2RT- acsaF式中：/—流過導(dǎo)體的電流；R—導(dǎo)體的交流電阻；aca—導(dǎo)體的總換熱系數(shù)；方一導(dǎo)體的換熱面積.從式中可以看出，對(duì)于具體的電線電纜來說,如果假定兩種情況下流過電流的有效值相同，那么穩(wěn)定溫升的差異只取決于電阻的大小。對(duì)于電纜和電線來說，由于有厚厚的絕緣層和保護(hù)層，熱交換的效率必然沒有裸導(dǎo)體高，因此流過相同電流時(shí),穩(wěn)定溫升要高一些，諧波電流引起的溫升增加量相應(yīng)也要增大。溫度升高會(huì)加速電纜線的老化，減短電纜的壽命，嚴(yán)重情況可能會(huì)致使相線與中線火地之間發(fā)生短路引發(fā)火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年中國(guó)火災(zāi)中因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)為31933起，占中國(guó)火災(zāi)總數(shù)的26。1％,其中電纜老化引起的火災(zāi)占整個(gè)電氣火災(zāi)的50％以上，造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失.在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中，由反應(yīng)速率方程及Amhenius方程，可知高分子材料的熱老化方程為：lgt=a+bT式中：t、T一分別表示材料的壽命(h)和老化溫度值)；a一與規(guī)定失效性能相關(guān)的常數(shù)；b—(0。401XE/R)是與活化能E有關(guān)的常數(shù)，R是氣體常數(shù)(8.314J?mol—1?K—1).根據(jù)資料記載，對(duì)于丁苯橡膠熱b=5346；對(duì)于阻燃電纜b=5394；對(duì)于聚氯乙烯電纜b=5807。假設(shè)溫度為t1時(shí)的老化壽命為t1,%時(shí)的老化壽命為T2,則對(duì)于丁苯橡膠:t 5346x(T—T八=10T1xT2t1對(duì)于阻燃電纜：t 5309x(T、—T八_2=10T義T-J1w1 2t1對(duì)于聚氯乙烯電纜：t 5807x(T—T)-2=10T1xT2t1假設(shè)溫度為500時(shí)三種材料的老化壽命都為20年，那么每升高10，電纜的壽命如下表,表中的數(shù)據(jù)表示老化壽命，單位為年:溫度材料50051052。530550550560570580590丁苯橡膠20.017.715。814。012.511。29.98.97.97o1阻燃電纜20.017.715。714。012.511O19o98o87o97o0聚氯乙烯電纜20.017。615。513。612.010。69.48.37o36o5表A電纜溫度與老化壽命對(duì)應(yīng)表由表中的數(shù)據(jù)可以看出，三種材料的電纜，隨著溫度的升高，老化壽命急劇下降，當(dāng)平均溫度升高10℃后，老化壽命僅為正常工作溫度下壽命的1/4。對(duì)變壓器的影響諧波電壓的存在增加了變壓器磁滯損耗、渦流損耗以及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。對(duì)帶有非對(duì)稱性負(fù)荷的變壓器而言，若負(fù)荷電流含有直流分量，引起變壓器磁路飽和，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量，它的幅值幾乎與直流電流成正比，對(duì)于較低次的諧波，這種線性關(guān)系更為明顯。諧波電流在變壓器中造成的附加損耗可用下式估算：8 _ _ _AP=3Z12RKh=2式中Ih一通過變壓器的h次諧波電流；R－變壓器工頻等值電阻；TKT一由于諧波的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使電阻增加的系數(shù)，當(dāng)h為5、7、11和13時(shí)，KT可分別取2.1、2。5、3.2和3.7.對(duì)于普通變壓器，特別重要的影響是3次及其倍數(shù)次零序諧波，這些諧波在三角形連接的繞組中形成換流。除非設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到這些問題，否則這些換流將使變壓器繞組過熱.對(duì)于供給不對(duì)稱負(fù)荷的變壓器，還有一個(gè)重要問題應(yīng)當(dāng)考慮到，即如果負(fù)荷電流中含有直流分量,則它將使變壓器磁路的飽和度提

高，從而使交流勵(lì)磁電流的諧波分量大大增加。對(duì)電力變壓器內(nèi)△接法的繞組而言，雖然該接法為三次倍數(shù)的諧波電流提供了一個(gè)通路,但卻增加了繞組內(nèi)的環(huán)流.除非在設(shè)計(jì)時(shí)另有考慮,這一額外的環(huán)流可能使繞組電流超過額定值.變壓器副邊輸出諧波電壓使輸電線路熱損耗增加，絕緣老化,壽命縮短；據(jù)有關(guān)部門試驗(yàn)，相同的電纜鋪設(shè)條件，若通過一般的工頻電流，其使用壽命為25年,而含有高次諧波的非正弦電流，其使用壽命只有9年。對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的影響電力諧波和電容器之間的作用是相互的,它不僅在電容器中產(chǎn)生額外的電力損耗，而且可能與電容器一起產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。諧波電壓在電容器中產(chǎn)生額外的電力損耗：于c(tg8后U2義10-3nnn=2式中c-電容；tg8—介質(zhì)損耗系數(shù);①一n次諧波的角頻率；U—n次諧波電壓有效值.nn當(dāng)同一母線上接有電容器和諧波源時(shí)，設(shè)電源為純感性的,當(dāng)下式成立時(shí)就會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振。f=fScn式中f-基波頻率；f—諧振頻率；n系統(tǒng)短路容量;S系統(tǒng)短路容量;S—電容器容量。C因在高頻電路中電容阻抗較小故可略去負(fù)荷電阻.在此條件下，當(dāng)下式成立時(shí)就會(huì)發(fā)生串聯(lián)諧振。fn=fTOC\o"1-5"\h\zS S2fn=f 1 LSZ S式中S—變壓器容量;tZ—變壓器阻抗標(biāo)幺值tS—負(fù)荷容量;L

S—電容器容量c在電容器的作用下，諧波電流可以被放大2?5倍，而在諧振時(shí)可達(dá)30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會(huì)大大增加電容器的損耗和過熱,這往往導(dǎo)致電容器的損壞.對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響諧波對(duì)繼電保護(hù)的影響主要表現(xiàn)為使繼電器動(dòng)作特性畸變或效果降低,其后果常是保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)，并且由于不同類型繼電器的設(shè)計(jì)和工作原理不用，諧波的影響程度也不盡相同。1、諧波對(duì)電磁型繼電器的影響諧波對(duì)各種形式的繼電器和保護(hù)裝置均有不同程度的影響.對(duì)于當(dāng)前推廣使用的微機(jī)保護(hù)來說，由于廣泛采用先進(jìn)的數(shù)字濾波電路和數(shù)值算法,得到的波形基本上是濾去各主要高次諧波的正弦波,可以認(rèn)為諧波不能對(duì)其動(dòng)作特性構(gòu)成影響。然而對(duì)目前仍廣泛使用的電磁式繼電器來說，諧波的威脅是存在的.常規(guī)的電磁型電流繼電器的電磁動(dòng)作轉(zhuǎn)矩為：I2WM=FL=K,2L=K1 L=K12L=K312m式中F—電磁力；L—?jiǎng)悠c支點(diǎn)的力臂長(zhǎng)度p。一磁通；I-流入線圈的電流有效值匕一線圈匝數(shù)；Rm—磁通中所經(jīng)過磁路的磁阻由(3.9)式可得電磁動(dòng)作轉(zhuǎn)矩與線圈電流有效值的平方成正比.實(shí)驗(yàn)證明，該型繼電器線圈無(wú)論通入基波還是通入2?7次單頻諧波，只要有效值相同，繼電器都會(huì)動(dòng)作。按基波整定的電磁型繼電器在諧波的作用下可能誤動(dòng)。雖然，電磁型繼電器動(dòng)作速度慢，定值容許誤差較大,在諧波含量小于10%時(shí)可認(rèn)為諧波影響不是主要問題，然而在某些情況下，諧波的含量會(huì)大大超過這一允許值。例如變壓器空載合閘時(shí)，由于斷路器三相不同期，三相勵(lì)磁涌流極不平衡，在同一母線上并列運(yùn)行的所有變壓器零序回路中引起零序涌流，其波形中含有很大的諧波分量，其二次諧波分量有時(shí)甚至大于基波分量。這時(shí)，雖然其基波電流尚未達(dá)到繼電器的起動(dòng)值，但各次諧波綜合的有效值已超過整定值，使電磁型繼電器起動(dòng)。由于整個(gè)衰減過程達(dá)10s以上，超過零序保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，可使該母線上運(yùn)行中的投入零序保護(hù)的變壓器同時(shí)誤跳.2、諧波對(duì)感應(yīng)型繼電器的影響感應(yīng)型繼電器的可動(dòng)部分慣性較大,動(dòng)作速度慢，諧波轉(zhuǎn)拒對(duì)其影響并不嚴(yán)重。這種繼電器中的圓盤或圓筒在磁場(chǎng)的作用下都將產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流和空間中另一磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)拒,推動(dòng)圓盤和圓筒。經(jīng)驗(yàn)證，隨著輸入電流的頻率由50Hz增加到250Hz時(shí)，繼電器的起動(dòng)靈敏度將降低,這是由于畸變電流中諧波分量在繼電器磁盤上產(chǎn)生了附加轉(zhuǎn)矩所致。由畸變電流產(chǎn)生作用在繼電器磁盤上的轉(zhuǎn)矩等于該電流中基波分量和各次諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩總和，其中3次諧波和5次諧波電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對(duì)繼電器的靈敏度影響比較大.諧波電流分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可正可負(fù)，因而繼電器可能產(chǎn)生誤動(dòng)也可能產(chǎn)生拒動(dòng),其后果由各同次頻率諧波間的相位差以及諧波分量的有效值確定.3、諧波對(duì)整流型繼電器的影響整流型繼電器的主要特點(diǎn)是將輸入交流量進(jìn)行整流,或者將幾個(gè)輸入交流量組合后進(jìn)行整流，繼電器的動(dòng)作特性取決于整流后的電壓信號(hào)（電流信號(hào)）及其動(dòng)作判據(jù)，以兩個(gè)電氣量的環(huán)形整流比相器回路構(gòu)成的方向阻抗繼電器為例進(jìn)行分析。當(dāng)電流回路中含有諧波分量時(shí)，其動(dòng)作特性不在是一個(gè)圓，而是呈現(xiàn)未一個(gè)不規(guī)則的封閉曲線由許多凹凸不平點(diǎn)?；旧厦扛?n/n時(shí)有凹點(diǎn)（或凸點(diǎn)）出現(xiàn)，而且諧波含量越大,凹凸越厲害。主要是因?yàn)樵陔娏骰芈吠ㄈ牒兄C波分量電流時(shí),環(huán)形整流比相器輸出的交流分量增大，從而造成繼電器動(dòng)作特性損壞不光滑。在某些情況下，如輸出線路發(fā)生接地短路時(shí),由于電流中諧波分量較大,導(dǎo)致整流型保護(hù)裝置拒動(dòng)。4、諧波對(duì)靜態(tài)型繼電器的影響靜態(tài)保護(hù)所采用的繼電器包括通稱的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器，主要由無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的電子器件構(gòu)成.由于在抗干擾和消除諧波影響方面具有較好的有效性，靜態(tài)保護(hù)已日益收到人們的關(guān)注。按相位比較原理構(gòu)成的繼電器，被比較的兩個(gè)交流電量可用積分比相器或微分比相器來實(shí)現(xiàn)。由于諧波分量的存在兩種比相器均受影響。對(duì)于積分式比相器，各半波積分比相器比較的分別是正半周或負(fù)半周極性相同的時(shí)間。當(dāng)被比較的兩個(gè)電量中任意一個(gè)含有諧波分量時(shí)，其方波被切成碎片，導(dǎo)致積分電壓達(dá)不到使其后面的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)所需要的電壓值，從而造成保護(hù)拒動(dòng);對(duì)于微分式比較器，它把兩個(gè)交流量都變成方波,再將其中一個(gè)方波通過微分電路產(chǎn)生脈沖去與另一個(gè)交流量的方波進(jìn)行比較，則因諧波的存在而出現(xiàn)多個(gè)不應(yīng)有的微分脈沖,引起交流量過零點(diǎn)的機(jī)會(huì)增多,可能造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作。例如再相差保護(hù)中短路時(shí)產(chǎn)生的直流分量與高次諧波分量疊加的結(jié)果，使半波比相器有輸出，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。對(duì)電能表的影響目前，計(jì)量中主要采用靜電感應(yīng)式電能表。它是按工頻(基波50Hz)純正弦交流額定工況設(shè)計(jì)制造的。存在電力諧波時(shí),基波電流和諧波電流都會(huì)在電能表轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生渦流，電能表轉(zhuǎn)速所反映的功率是基波和各次諧波共同作用下產(chǎn)生的，即：PW=K1P1+于kPn=2式中PW—電能表計(jì)量的功率；K1—基波的轉(zhuǎn)矩系數(shù)P1—基波功率； kn-n次諧波的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。通常，K1^1,kn<1,電力諧波的次數(shù)越高，幅值越小，kn越小，在轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越小。一般情況下，諧波所產(chǎn)生的電度量可以忽略不計(jì),但當(dāng)用戶中有較大的諧波源時(shí),計(jì)量點(diǎn)的電壓電流畸變較大,總電度量中將含有較多高次諧波所產(chǎn)生的電量