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电力系统谐波源分析


电力系统谐波源分析
近年来, 随着直流输电和柔性交流输电技术的采用, 电气化铁道的快速发展, 化工、冶金、煤炭等工业部门中电力电子设备的大量应用等,使得电网的谐波含 量大大增加,电网波形畸变越来越严重,对电力系统的安全、经济运行造成极大 的影响。电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。 电力谐波已经成为电力系统的一大公害, 是近年来国内外专家和学者

普遍关注的 问题。为了抑制电力系统谐波,首先必须了解谐波源的特点。 1. 谐 波 的 产 生 在理想的干净供电系统中,电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电 阻、电感及电容)的简单电路里,流过的电流与施加的电压成正比,流过的电流 是 正 弦 波 。 在实际的供电系统中, 由于有非线性负荷的存在,当电流流过与所加电压不 呈线性关系的负荷时, 就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频 正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数,例如基频为 50Hz,二次谐波为 100Hz,三次谐波则为 150Hz。因此畸变的电流波形可能有二 次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。 2.谐波源的种类 电网谐波来自于 3 个方面: 一是发电源质量不高产生谐波: 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对 对称, 铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因,发电源多少也会产生一些 谐波,但一般来说很少。 二是输配电系统产生谐波: 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于 变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作 磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有 奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度 越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大,其中 3 次谐波电流可达 额定电流 0.5%。 三是用电设备产生的谐波:晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、 铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造 成了大量的谐波。我们知道,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺 角的正弦波, 从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,从而给电网留下的 也是另一部分缺角的正弦波, 显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置 为单相整流电路, 在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中 3 次谐波的含量可 达基波的 30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大 而增大。如果整流装置为三相全控桥 6 脉整流器,变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流; 如果是 12 脉冲整流器, 也还有 11 次及以上奇次谐波电 流。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40%,这是最大的谐波 源。 带平波电抗器或直流电机负载的晶闸管相控整流装置是最早出现的电力电 子型谐波源, 这种谐波源一般被当作电流型谐波源,其滤波器设计可以采用无源

支路和系统进行分流的方法来进行优化和计算。随着电力电子技术的发展,出现 了一类整流桥后面并联一个大的滤波电容的负载, 这类负载在家用电器和变频器 等领域得到了广泛的应用。 虽然这种谐波源单个容量并不大,但是当大量使用时 (如变频器群)也会产生很大的谐渡干扰。 这类非线性负载一般被当作电压型谐波 源。 产 生 谐 波 的 设 备 类 型 所有的非线性负荷都能产生谐波电流,产生谐波的设备类型有:变频装置、 开关模式电源(SMPS)、气体放电类电光源、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、 不间断电源(UPS)、电弧炉、电石炉、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。 (1)变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相 位控制,谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置 的功率一般较大,随着变频调速的发展, 对电网造成的谐波也越来越多。 (2) 开 关 模 式 电 源 (SMPS) : 大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不 同, 它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给 存贮电容器充电, 然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的 直流电流。 这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅度 地降低,它的缺点是不管它是哪一种型号,它都不能从电源汲取连续的电流,而 只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。 (3)气体放电类电光源。 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分 析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏安 特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。 (4) 电 子 荧 光 灯 镇 流 器 : 电子荧光灯镇流器近年被大量采用。 它的优点是在工作于高频时可显著提高 灯管的效率, 而其缺点是其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有 功 率 因 数 校 正 的 型 号 产 品 可 减 少 谐 波 , 但 成 本 昂 贵 。 (5) 直 流 调 速 传 动 装 置 : 直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路, 它也称作六脉冲桥式 整流电路,因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直 流电动机的电感是有限的, 故在直流电流中有 300Hz 的脉动波(即为供电频率的 6 倍 ) , 这 就 改 变 了 供 电 电 流 的 波 形 。 (6) 不 间 断 电 源 (UPS) : 根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所用转换方式的不同, UPS 有许 多不同的类型。 主要的类型有: 在线的 UPS、 离线的 UPS 和线路交互作用的 UPS。 由 UPS 供电的负荷总是电子信息设备,它们是非线性的并且含有大量的低次谐 波。 (7)电弧炉、电石炉。 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料, 使得燃烧 不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注 入电网。其中主要是 2 7 次的谐波,平均可达基波的 8% 20%,最大可达 45%。 (8) 磁 芯 器 件 : 在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。 如果 3.

电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大)那么磁场中会有高次谐波,这被 认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很 小)则磁通密度也将是正弦波形,而电流波形则含有高次谐波,这被认为是自由 磁化过程。 (9)家用电器。 电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置, 会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,因不平 衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是 谐波的主要来源之一。 4. 谐 波 的 危 害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅 值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的 环境恶化, 也对周围的能耐在电力电子设备广泛应用以前,人们对谐波及其危害 就进行过一些研究,并有一定认识,但那时谐波污染还没有引起足够的重视。 近三四十年来, 各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋 严重, 由谐波引起的各种故障和事故也不断发生,谐波危害的严重性才引起人们 高 度 的 关 注 。 谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气 设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧 毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容 器等设备烧毁。 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作, 使电能计量出现混乱。 对于电力系统外部, 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电 网 和 其 他 系 统 的 危 害 大 致 有 以 下 几 个 方 面 : 4.1 、 加 大 企 业 的 电 力 运 行 成 本 由于谐波不经治理是无法自然消除的, 因此大量谐波电压电流在电网中游荡 并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热,从而加大了电力运行成本,增加 了 电 费 的 支 出 。 4.2 、 降 低 了 供 电 的 可 靠 性 谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖,不仅导致变压器、电容器等电 气设备的磁滞及涡流损耗增加, 而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能 使变压器的铜耗增加, 所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热,噪声增 大,从而加速绝缘老化,大大缩短了变压器、电动机的使用寿命,降低供电可靠 性 , 极 有 可 能 在 生 产 过 程 中 造 成 断 电 的 严 重 后 果 。 4.3、引发供电事故的发生 电网中含有大量的谐波源(变频或整流设备)以及电力电容器、变压器、电 缆、电动机等负荷,这些电气设备处于经常的变动之中,极易构成串联或并联的 谐振条件。当电网参数配合不利时,在一定的频率下,形成谐波振荡,产生过电 压或过电流, 危及电力系统的安全运行,如不加以治理极易引发输配电事故的发 生 。 4.4、导致设备无法正常工作 对旋转的发电机、电动机,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路 及铁芯中产生附加损耗, 从而降低发输电及用电设备的效率,更为严重的是谐波 振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩,可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲

及 产 生 疲 劳 循 环 , 导 致 设 备 无 法 正 常 工 作 。 4.5、引发恶性事故 继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是,由 于谐波的大量存在, 易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动,特别在广 泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出,引起区域(厂内)电网瓦解, 造 成 大 面 积 停 电 等 恶 性 事 故 。 4.6、导致线路短路 电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差,达不到正确指示及计量(计量 仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时,断路器 的遮断能力将大大降低,造成电弧重燃,发生短路,甚至断路器爆炸。 4.7、降低产品质量 由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动, 使生产误差加大,降低 产 品 的 加 工 精 度 , 降 低 产 品 质 量 。 4.8、影响通讯系统的正常工作 当输电线路与通讯线路平行或相距较近时, 由于两者之间存在静电感应和电 磁感应,形成电场耦合和磁场耦合,谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰,从 而降低信号的传输质量,破坏信号的正常传输,不仅影响通话的清晰度,严重时 将 威 胁 通 讯 设 备 及 人 身 安 全 。 谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导 致住处丢失,使通信系统无法正常工作。 5. 影 响 供 电 电 源 的 谐 波 问 题 及 解 决 措 施 : 《中华人民共和国电力法》指出:"用户用电不得危害供电、用电安全和扰 乱供电、用电秩序", 《供电营业规则》中规定:"用户的非线性阻抗特性的用电 设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过 标 准 时 , 用 户 必 须 采 取 措 施 予 以 消 除 。 " 由畸变电流造成的电压畸变取决于电源阻抗。 阻抗愈大则由同一电流畸变所 造成的电压畸变就愈大。对于 10 次以下的谐波而言,供电网络通常是感性的, 所以电源阻抗就和频率成正比,谐波次数越高,所造成的畸变就越大。通常不可 能减小供电系统的阻抗, 所以需要采用别的步骤来保证电压畸变不超过限度。可 能的解决方法有: 装用谐波滤波器、 装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。 ①装用谐波滤波器:对于电动机控制器产生的谐波,谐波的形状很分明,可 以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器,滤波器可去掉 20%的五次谐 波以及全部的高次谐波,对基波影响甚微。为了避免增益顶峰靠近谐波,必须用 解谐的滤波器,而且可能需装多个滤波器。在 12 脉冲桥路中最低次的谐波是 11 次 的 , 此 时 情 况 比 较 简 单 。 ②装用隔离变压器:均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台 Dyn 接法的隔离变压器来削弱。使用这种变压器时,通常装设一个旁路的电路以 避免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停止供电。在这种情况下,应采 用中性线有足够大的通用四芯馈线。在重要的配电系统中,有时把隔离变压器就 地装在每一配电盘上,使 3N 次谐波电流与配电系统相隔离。隔离变压器要适当 提 高 额 定 值 , 否 则 也 会 产 生 电 压 畸 变 和 过 热 。 ③装用有源的谐波调节器:由变流器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好 地用普通的滤波器来滤除, 这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化

的,并且时常很接近于基波频率。目前有源滤波器日益推广应用,它在工作时主 动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流, 就会获得一个纯粹的正 弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP)技术来控制快速绝缘栅双极晶 体管(IGBT)。因为设备是与供电系统并联工作的,它只控制谐波电流,基波电流 并不流过该滤波器。 如果所需过滤的谐波电流比滤波器的容量大的话,它只是简 单 地 起 限 制 作 用 而 使 波 形 得 到 部 分 的 纠 正 。 6.总结 电力系统中的谐波的出现,对于电力系统运行是一种"污染"。它们降低了系 统电压正玄波形的质量, 不但严重地影响了电力系统自身,而且还危害用户和周 围的通信系统。 因此对电力系统谐波的研究对于改善电能质量,抑制和消除谐波 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。


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