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浅析供电系统中谐波的危害及其抑制措施


浅析供电系统中谐波的危害及其抑制措施

[摘 要]简要论述了谐波是如何产生的,为什么谐波的出现会 影响电力设备,以及总结和提出了抑制谐波的措施。 [关键词] 电力谐波 危害 抑制措施 1 谐波是怎样产生的 电力系统的谐波是电力系统电压波形产生畸变的表征。谐 波的产生来自于电力电子设备、非线性阻抗设备和其它方面的 干扰。 其中电子设备谐波源的基本元件大部分采用非

线性元件, 工作波形为非正弦波,有的产品是切削正弦波执行工作的,如 可控硅整流电源等;有的产品是将直流源变换成方波工作,如 变频器、开关电源等。这些产品与电力系统发生关系时,都能 使电力系统的基波产生大量的畸变。 而非线性阻抗设备常利用 感抗涡流工作或利用容性电离做功,如电焊机、电抗器、感应 炉、 电弧炉等, 这些产品在运行时可使电流产生大幅度地浪涌、 尖脉冲,造成电力系统的基波产生畸变,形成电源污染。 2 电力谐波造成的危害

对于电力系统来说,电力谐波的危害主要表现有以下几方面:

2.1 增加输、供和用电设备的额外附加损耗,使设备的温度过 热,降低设备的利用率和经济效益。 由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体 时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加, 从而增加了设备的功率损耗、电能损耗,使导体的发热严重。 2.1.1 增加输电线路的功耗 谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率 位于在网络谐振点附近的谐振区内时,对输电线路会造成绝缘 击穿。由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大 趋肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的 允许通过电流减小。 与架空线路相比,电缆线路对地电容要大1 0~20倍,而感抗仅为其1/3~1/2,所以很容易形成 谐波谐振,造成绝缘击穿。

2.1.2 对变压器的危害 谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损,降低变压器有效出 力,谐波导致的噪声,会使变电所的噪声污染指数超标,影响 工作人员的身心健康。由于以上两方面的损耗增加,因此要减 少变压器的实际使用容量。除此之外,谐波还导致变压器噪声 增大,有时还发出金属声。 2.1.3 对电力电容器的危害

含有电力谐波的电压加在电容器两端时,由于电容器对电力谐 波阻抗很小,谐波电流叠加在电容器的基波上,使电容器电流 变大,温度升高,寿命缩短,引起电容器过负荷甚至爆炸,同 时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振,使故 障加剧。 2.2 影响继电保护和自动装置的工作可靠性 特别对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护及自 动装置误动或拒动,使其动作失去选择性,可靠性降低,容易 造成系统事故,严重威胁电力系统的安全运行。 2.3 对用电设备的危害 ①电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变,画面亮度发生波 动变化,并使机内的元件温度出现过热,使计算机及数据处理 系统出现错误,严重甚至损害机器。 此外,电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装 置等产生不良影响,它已经成为当前电力系统中影响电能质量 的大公害。 ②感应电动机。 和变压器中的道理一样,谐波畸变会加大电动机中的损 耗。然而,由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗,每个谐波 分量都有自身的相序(正序、 逆序、 零序), 它表示旋转的方向(在 感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的)。 谐波次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12



序 +- 0 +- 0 +- 0 + - 0

零序谐波(3 次及 3 的倍数,即“3N”次谐波)产生不变的 磁场,但是因为谐波频率较高,故磁性损耗大大增高而将谐波 能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相 对于基波而言),而使电机的力矩下降,并和零序谐波一样, 产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩,它 和负序分量一起,可造成电机的振动而降低电机寿命。 2.4 影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,从而 降低电网电压,浪费电网的容量。

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电力谐波的抑制措施

为了减少供电系统的谐波问题,从管理和技术上可采取以下措 施: 3.1 严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准,加强管理 我国 1998 年 12 月 14 日发布了国家标准 GB17625.1-1998《低 压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流? 16A)》,要求购置的用电设备,经过试验证实,符合该标准限 值才允许接入到配电系统中。 此外,1993 年颁发的国家标准 GB /T14549-1993《电能质量公用电网谐波》,规定了注入公共连 接点的谐波电流允许值的用户,必须安装电力谐波滤波器,以 限制注入公用电网的谐波。

3.2 加强谐波污染源的监测 主管部门对所辖电网进行系统分析,正确测量,以确定谐波源 位置和产生的原因,为谐波治理准备充分的原始材料;在谐波 产生起伏较大的地方,可设置长期观察点,收集可靠的数据。 对电力用户而言,可以监督供电部门提供的电力是否满足要 求;对于供电部门而言,可以评估电力用户的用电设备是否产 生了超标的谐波污染。? 3.3 在谐波源处加装滤波装置吸收谐波电流 这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力 系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种: ①无源滤波器。简单的 LC 滤波器是由电容器、电抗器和电阻 器适当组合而成。难以滤除频率较低、幅度较大的畸变波。L C 滤波器一般采用与谐振源并联方式接入配电系统,三相连接 可接成 Y 型或 D 型。但三次谐波滤波器有一点特殊,因为三 次谐波主要为零序谐波, 大部分流经 N 线, 因此有些三次谐波 滤波器采用在 N 线上串接的方式。如 ABB 公司的 THF,其工 作原理与并联型 LC 滤波器的相反,是在 150Hz 的谐振频率产 生高阻抗,而对非 150Hz 的其它频率电流阻抗很小,其结果是 大部分三次谐波电流被阻断。 无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由 L、C、R 元件 构成谐振回路,当 LC 回路的谐振频率和某一高次谐波电流频 率相同时,即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效

率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,无源滤波是目 前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在 着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响; 对某些次谐波有放大 的可能;耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发 展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 ②有源滤波器。早在 70 年代初期,日本学者就提出了有源 滤波器 APF 的概念,即利用可控的功率半导体器件向电网注 入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐 波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相 比,APF 具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可 抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合 理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐 振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。 目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践,而我国还仅应 用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高,有源滤波技术 作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自 身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。 3.4 加装静止无功补偿装置,提升功率因数 cosф 快速变化的谐波源,如:电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了 产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会 造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在 谐波源处并联装设静止无功补偿装置,可有效减小波动的谐波

量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可 补偿功率因数. 。 3.5 防止并联电容器组对谐波的放大 在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当 谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用, 危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器, 或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器 组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。 3.6 增加换流装置的相数 换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明, 换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为 pk ±1 和 pk(p 为整流相数或脉动数,k 为正整数)。当脉动数由 p =6 增加到 p=12 时, 可以有效的消除幅值较大的低频项,(其特 征谐波次数分别为 12k±1 和 12k),从而大大地降低了谐波电 流的有效值。 4 结束语 (1)在治理系统谐波时,应充分考虑系统中各种因素的影 响,兼顾各个指标,选择合理有效的滤波方案; (2) 采用 LC 滤波器, 应以滤波器组的综合滤波效果为原则, 严格避免谐波放大现象的发生; (3)滤波电容器电容量的选择既要满足滤波的要求,也要 考虑无功补偿的需要,还应使电容器能承受过电流和过电压的

影响; (4)有源滤波器是一种新型动态滤波器,其谐波抑制能力 大大优于 LC 滤波器。随着对电网谐波问题的日益重视和其成 本的逐步降低,将具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].中国电力出版社,1998.5 [2]张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技 术,2002.6. [3]郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策. 《高电压技术》, 2002.6


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