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一、谐波的产生
在电力的生产,传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
在发电环节,当对发电机的结构和接线采取一些措施后,可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。
在其它几个环节中,谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备:
(一)具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器、电抗器等;
(二)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯、交流弧焊机、炼钢 电弧炉等;
(三)以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等,它们大量的用于化工、电气铁道,冶金,矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流,也就是说,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生了谐波,使电网电压严重失真,此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
二、谐波的危害
谐波的影响主要表现在以下几个方面:
(一)对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中,用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此,谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整,由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明,在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时,电动机的绝缘寿命要减少一半。因此,国际上一般建议在持续工作的条件下,电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
(二)对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加,特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热;对全星形连接的变压器,当绕组中性点按地,而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时,可能形成3 次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。
(三)对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性,线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下,谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中,变压器和输电线路的损耗占了大部分,所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大,导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容,它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时,在一定的参数配合条件下,会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下,并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时,会激励电感、电容产生部分谐振,形成谐波放大。在这种情况下,谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动,以至损坏设备,与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路,由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20 倍,而感抗约为架空线路的1/2-1/3,因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大,造成局部绝缘加快老化,甚至击穿的事故。
(四)对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高,会加速电容器的老化,使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加,从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面,电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时,就会产生谐波电流放大,使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行;严重时爆炸起火。
(五)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重,这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置,整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸,则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动,母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动,严重威胁电力系统的安全运行。
(六)使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz 的标准的正弦波设计的,当供电电压或负荷电流中有谐波成分时,会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下,谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能,从而谐波源虽然污染了电网,却反而少交电费;而与此同时,在线性负荷用户处,电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能,这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏,而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
(七)干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3 、5 、7 、11 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合,在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度,而且在谐波和基波的共同作用下,触发电话铃响,甚至在极端情况下,还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作,并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误,影响电网运行的安全。
三、谐波的抑制方案
(一)预防性
解决方案为避免出现谐波及其产生的后果而采取的措施。
1、变流器中的相位抵消或谐波控制。
2、开发有效的过程或方法来控制减小或消除电力系统设备――主要是电容器、变压器和发电机的谐波。
(二)补救性
为克服既存谐波问题而采取的措施,包括:
1、使用滤波器;
2、电路解谐,采用馈电线重构或电容器组改变安装位置等来克服谐振。
四、串联调谐滤波器的设计
一般地,无源滤波器有电容器和电抗器串联而成,调整各滤波支路电容和电感参数,使其对相应次数的频率串联谐振,此时它对这个频率电流的阻抗最小,谐波电流大部分流过这条支路,就减小了注入电网的谐波电流,也就起到了滤波的作用。
无源滤波的优点:
(一)结构简单,价格及维护费用低。
(二)兼具无功补偿功能,适用于功率因数较低的场合。
(三)有节能效果,一定条件下可节能10%以上。
一个典型的谐波滤波装置如图1所示,包括H5,H7和H11三个支路。
串联调谐滤波器是设计来滤除某一谐波的电容器,通过增加一个在调谐频率处的电抗器来实现的。对于调谐于次谐波的串联调谐滤波器的设计步骤如下:
1、确定电容器的容量
式中:-滤波器安装处的短路容量
2、计算电容器电抗
式中: -母线电压
3、为滤除次谐波,电抗器的大小
4、电抗器电阻
式中:-滤波器的品质因数,一般的30<<100
5、滤波器容量
对于串联调谐滤波器,任何谐波此数下的阻抗为
因此,
||=
对于次谐波,,串联调谐滤波器阻抗最小,||=,此时流经滤波器的次谐波电流最大,注入母线的次谐波电流最小,起到了滤除次谐波的作用。
在电力的生产,传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
在发电环节,当对发电机的结构和接线采取一些措施后,可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。
在其它几个环节中,谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备:
(一)具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器、电抗器等;
(二)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯、交流弧焊机、炼钢 电弧炉等;
(三)以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等,它们大量的用于化工、电气铁道,冶金,矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流,也就是说,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生了谐波,使电网电压严重失真,此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。
二、谐波的危害
谐波的影响主要表现在以下几个方面:
(一)对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中,用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此,谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整,由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明,在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时,电动机的绝缘寿命要减少一半。因此,国际上一般建议在持续工作的条件下,电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。
(二)对变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加,特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热;对全星形连接的变压器,当绕组中性点按地,而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时,可能形成3 次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。
(三)对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性,线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下,谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中,变压器和输电线路的损耗占了大部分,所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大,导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容,它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时,在一定的参数配合条件下,会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下,并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时,会激励电感、电容产生部分谐振,形成谐波放大。在这种情况下,谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动,以至损坏设备,与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路,由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20 倍,而感抗约为架空线路的1/2-1/3,因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大,造成局部绝缘加快老化,甚至击穿的事故。
(四)对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高,会加速电容器的老化,使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加,从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面,电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时,就会产生谐波电流放大,使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行;严重时爆炸起火。
(五)影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重,这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置,整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸,则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动,母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动,严重威胁电力系统的安全运行。
(六)使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz 的标准的正弦波设计的,当供电电压或负荷电流中有谐波成分时,会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下,谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能,从而谐波源虽然污染了电网,却反而少交电费;而与此同时,在线性负荷用户处,电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能,这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏,而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。
(七)干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3 、5 、7 、11 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合,在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度,而且在谐波和基波的共同作用下,触发电话铃响,甚至在极端情况下,还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作,并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误,影响电网运行的安全。
三、谐波的抑制方案
(一)预防性
解决方案为避免出现谐波及其产生的后果而采取的措施。
1、变流器中的相位抵消或谐波控制。
2、开发有效的过程或方法来控制减小或消除电力系统设备――主要是电容器、变压器和发电机的谐波。
(二)补救性
为克服既存谐波问题而采取的措施,包括:
1、使用滤波器;
2、电路解谐,采用馈电线重构或电容器组改变安装位置等来克服谐振。
四、串联调谐滤波器的设计
一般地,无源滤波器有电容器和电抗器串联而成,调整各滤波支路电容和电感参数,使其对相应次数的频率串联谐振,此时它对这个频率电流的阻抗最小,谐波电流大部分流过这条支路,就减小了注入电网的谐波电流,也就起到了滤波的作用。
无源滤波的优点:
(一)结构简单,价格及维护费用低。
(二)兼具无功补偿功能,适用于功率因数较低的场合。
(三)有节能效果,一定条件下可节能10%以上。
一个典型的谐波滤波装置如图1所示,包括H5,H7和H11三个支路。
串联调谐滤波器是设计来滤除某一谐波的电容器,通过增加一个在调谐频率处的电抗器来实现的。对于调谐于次谐波的串联调谐滤波器的设计步骤如下:
1、确定电容器的容量
式中:-滤波器安装处的短路容量
2、计算电容器电抗
式中: -母线电压
3、为滤除次谐波,电抗器的大小
4、电抗器电阻
式中:-滤波器的品质因数,一般的30<<100
5、滤波器容量
对于串联调谐滤波器,任何谐波此数下的阻抗为
因此,
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对于次谐波,,串联调谐滤波器阻抗最小,||=,此时流经滤波器的次谐波电流最大,注入母线的次谐波电流最小,起到了滤除次谐波的作用。