諧波對智能電網(wǎng)的危害及抑制方法
在供電系統(tǒng)中,諧波是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解,除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量,還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量,這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量,使電網(wǎng)受到“污染”。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/200843.htm一、諧波的成因
電網(wǎng)諧波來自于3個方面:
1.發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波:發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因,發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波,但一般來說很少。
2.是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波:輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟(jì)性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn),諧波電流也就越大,其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。
3.是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波:晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用,給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道,晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負(fù)載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;接容性負(fù)載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器,也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明:由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。
變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復(fù)雜,除含有整數(shù)次諧波外,還含有分?jǐn)?shù)次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調(diào)速的發(fā)展,對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
電弧爐、電石爐。由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩(wěn)定,引起三相負(fù)荷不平衡,產(chǎn)生諧波電流,經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是27次的諧波,平均可達(dá)基波的8%~20%,最大可達(dá)45%。
氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏·安特性,可知其非線性十分嚴(yán)重,有的還含有負(fù)的伏·安特性,它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
家用電器。電視機(jī)、錄像機(jī)、計算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等,因具有調(diào)壓整流裝置,會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中,因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小,但數(shù)量巨大,也是諧波的主要來源之一。
二、諧波對電網(wǎng)的危害
諧波污染對電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在:
1.造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、線路和設(shè)備過熱燈,特別是三次諧波會產(chǎn)生非常大的中性線電流,使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值,造成設(shè)備的不安全運(yùn)行。諧波對電網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性的影響還表現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)發(fā)生諧振、使正常的供電中斷、事故擴(kuò)大、電網(wǎng)解裂等。
2.引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振,造成電壓互感器等設(shè)備損壞;造成變電站系統(tǒng)中的設(shè)備和元件產(chǎn)生附加的諧波損耗,引起電力變壓器、電力電纜、電動機(jī)等設(shè)備發(fā)熱,電容器損壞,并加速絕緣材料的老化;造成斷路器電弧熄滅時間的延長,影響斷路器的開斷容器;造成電子元器件的繼電保護(hù)或自動裝置誤動作;影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作,降低通信質(zhì)量;增大附加磁場的干擾等。
(一)對電力電容器的影響
當(dāng)配電系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大,并聯(lián)電容器組投入時,一方面由于電容器組的諧波阻抗小,注入電容器組的諧波電流大,使電容器過負(fù)荷而嚴(yán)重影響其使用壽命,另一方面當(dāng)電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時,引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大使電容器過熱而導(dǎo)致?lián)p壞。因此,電壓諧波和電流諧波超標(biāo),都會使電容器的工作電流增大和出現(xiàn)異常,例如,對于常用自愈式并聯(lián)電容器,其允許過電流倍數(shù)是1.3倍額定電流,當(dāng)電容器的電流超過這一限制時,將會造成電容器的損壞增加、發(fā)熱異常、絕緣加速老化而導(dǎo)致使用壽命降低,甚至造成損壞事故。同時,諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波,易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電,長時間的局部放電也會加速絕緣介質(zhì)的老化、自愈性能下降,而容易導(dǎo)致電容器損壞。
按照電力系統(tǒng)諧波管理規(guī)定,電網(wǎng)中任何一點(diǎn)電壓正弦波的畸變率(各次諧波電壓有效值的均方根與基波電壓有效值的百分比),均不得超過表1規(guī)定。
表1 電網(wǎng)電壓正弦波形畸變極限值
用戶供電電壓(kV)總電壓正弦波形畸變率極限值各奇、偶次諧波電壓正弦波形畸變率極限值(%)
0.38542
6或10431.75
35或66321
1101.510.5
(二)對電力變壓器的影響
1.諧波電流使變壓器的銅耗增加,引起局部過熱,振動,噪聲增大,繞組附加發(fā)熱等。
2.諧波電壓引起的附加損耗使變壓器的磁滯及渦流損耗增加,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓偏高或三相不對稱時,勵磁電流中的諧波分量增加,絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大,影響絕緣的局部放電和介質(zhì)增大。對三角形連接的繞組,零序性諧波在繞組內(nèi)形成換流,使繞組溫度升高。
3.變壓器勵磁電流中含諧波電流,引起合閘涌流中諧波電流過大,這種諧波電流在發(fā)生諧振時的條件下對變壓器的安全運(yùn)行將造成威脅。
(三)對電力避雷器的影響
變電站大容量、高電壓的變壓器由于合閘涌流的過程時間比較長,能夠延續(xù)數(shù)秒或更長的時間,有時還會引起諧振過電壓,并使相關(guān)避雷器的放電時間過長而受到損壞。這一問題對選擇保護(hù)高壓濾波器中電感或電容元件用的避雷器參數(shù)帶來較大的困難。
(四)對輸電線路的影響
1.諧波污染增加了輸電線路的損耗。輸電線路中的諧波電流加上集膚效應(yīng)的影響,將產(chǎn)生附加損耗,使得輸電線路損耗增加。特別是在電力系統(tǒng)三相不對稱運(yùn)行時,對中性點(diǎn)直接接地的供電系統(tǒng)線損的增加尤為顯著。
2.諧波污染增大了中性線電流,引起中性點(diǎn)漂移。在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中,零序電流和零序性的諧波電流(3次,6次、9次……)不僅會引起中性線電流大大增加,造成過負(fù)荷發(fā)熱,使損耗增加,而且產(chǎn)生壓降,引起零電位漂移,降低了供電的電能質(zhì)量。
(五)對電力電纜的影響
諧波污染將會使電纜的介質(zhì)損耗、輸電損耗增大,泄漏電流上升,溫升增大及干式電纜的局部放電增加,引發(fā)單相接地故障的可能性增加。
由于電力電纜的分布電容對諧波電流有放大作用,在系統(tǒng)負(fù)荷低谷時,系統(tǒng)電壓上升,諧波電壓也相應(yīng)升高。電纜的額定電壓等級越高,諧波引起電纜介質(zhì)不穩(wěn)定的危險性越大,更容易發(fā)生故障。
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