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關鍵詞:諧波治理、有源電力濾波器、DVR電壓暫降調節器、SVG靜止無功發生器

技術支持/ Technical support

諧波對供電系統及其供用電設備的影響

發布時間:2012-03-13點擊次數:2503

 

在理想情況下,優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但是在實際中,供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形,即產生諧波。我們所說的供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國,取工業用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦波分量,又稱為高次諧波。在供電系統中,產生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波,導致供電系統的電壓、電流波形畸變,使電能質量變壞。因此,諧波是反映電力質量的重要指標之一。諧波的危害表現為引起電氣設備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發熱:使同步發電機的額定輸出功率降低,轉矩降低,變壓器溫度升高,效率降低,絕緣加速老化,縮短設備的使用壽命,甚至損壞降低繼電保護、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網后會使無功功率加大,功率因數降低,甚至有可能引發并聯或串聯諧振,損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。

       2諧波產生的原因
       在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。在發電環節,當對發電機的結構和接線采取一些措施后,可以認為發電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。在其它幾個環節中,諧波的產生主要來自下列具有非線性特性的電氣設備:
       ①具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備,如變壓器、電抗器等;
       ②以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備,如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;
       ③以電力電子元件為基礎的開關電源設備,如各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開關設備等,它們大量的用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)的顯著特點就是它們從電網中取用非正弦電流。也就是說,即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們具有其電流而不隨著電壓同步變化的非線性的電壓一電流特性,使流過電網的電流為非正弦波形,因此這種電流波形就由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產生了諧波,從而使電網電壓嚴重失真。此外,電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能。
       接入低壓供電系統的非線性設備產生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩定的諧波電流是指這種諧波的幅度不隨時間變化,如視頻顯示設備和測試儀表等產生的諧波,這類設備對電網來說表現為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產生的各次諧波的幅值會隨時間而變化,因而稱之為波動的諧波,這類設備對電網來說是一個隨時間變化的負載。隨著電力電子設備使用的不斷增加,同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅,所以它們是目前供電系統中的主要諧波源。

       3諧波對供電系統及其供用電設備的影響
       過去由于接入供電系統的非線性設備較小,在系統中引起的諧波電流也很小,因此對電力質量的影響并不大。但隨著電子技術的發展,使用大功率半導體開關器件以及各類開關電源的產品的情況增多,如電視機、空調器、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐、信息技術設備等迅速涌入居民家庭。雖然每臺設備向電網注入的諧波電流不大,但這些設備數量大、分布廣,且有些家用電器如電視機、空調器等在使用時具有集中的特點,在某些時段會使注入到電網的諧波電流對公用電網造成的諧波問題特別突出。不但使接入該電網的設備無法正常工作,甚至會造成故障,而且還會使供電系統中性線承受的電流超載,影響供電系統的電力輸送。因此諧波問題已引起各有關方面的高度關注。諧波對供電系統及其供用電設備的影響主要表現在以下幾個方面。
       3.1增加了發、輸、供和供用電設備的附加損耗,使設備過熱,降低設備的效率和利用率
       由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍,高頻電流流過導體時,因集膚效應的作用,使導體對諧波電流的有效電阻增加,從而增加了設備的功率損耗和電能損耗,使導體嚴重發熱。
       3.1.1對旋轉電機的影響
       諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應,磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵芯和繞組中產生的附加損耗也在增加。在供電系統中,用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%。因此,諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為明顯。由于電動機的出力一般不能按發熱情況進行調整,由諧波引起電動機的發熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明,在額定出力下持續承受為3%額定電壓的負序電壓時,電動機的絕緣壽命要減少一半。因此,國際上通常的作法是建議在持續工作的條件下,電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。
       雖然諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩影響不大,但諧波會產生顯著的脈;中轉矩,由此可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發電機的轉子元件發生扭振,并使汽輪機葉片產生疲勞循環。
       3.1.2對變壓器的影響
       諧波電流使變壓器的銅耗增加,特別是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器,會在其繞組中形成環流,導致繞組過熱;對全星形連接的變壓器,當繞組中性點接地,而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時,可能形成3次諧波諧振,使變壓器附加損耗增加。
       3.1.3對輸電線路的影響
       由于輸電線路阻抗的頻率特性,線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下,諧波電流使輸電線路的附加損耗也增加。在供應電網的損耗中,變壓器和輸電線路的損耗占了大部分,所以諧波使電網網損增大。諧波還使三相供電系統中中性線的電流增大,導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容,它們與產生諧波的設備形成串聯回路或并聯回路時,在一定的參數配合條件下,會發生聯諧振或并聯諧振。一般情況下,并聯諧波的諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網的諧波的頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區內時,會激勵電感、電容產生部分諧振,形成諧波放大。在這種情況下,諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現誤動,導致損壞設備,與此同時還可產生相當大的諧波網損。對于電力電纜線路,由于電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍,而感抗約為架空線路的1/2~1/3,因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大,造成絕緣被擊穿的事故。
       3.1.4對電力電容器的影響
       隨著諧波電壓的增高,一方面會加速電容器的老化,使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加,從而容易發生故障和縮短電容器的壽命另一方面,電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時,就會產生諧波電流放大,使得電容器因過熱、過電壓等原因而不能正常地運行。
       3.2影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性
       諧波對電力系統中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重,這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動作后引起跳閘,則后果會相當嚴重)、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動,母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動,就會嚴重威脅電力系統的安全運行。
       3.3使測量和計量儀器的指示和計量不準確
       由于電力計量裝置都是按50Hz標準的正弦波設計的,當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時,會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下,諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能,這樣諧波源雖然污染了電網,卻反而會少交電費;而與此同時,在線性負荷用戶處,電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能,這部分諧波電能不但使線性負荷性能變差,而且還要多交電費。電子式電能表則更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。
  3.4干擾通信系統的工作
  電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合,不但在鄰近電力線的通信線路中會產生干擾電壓,干擾通信系統的工作,影響通信線路通話的清晰度,而且在諧波和基波的共同作用下,會觸發電話鈴響,甚至在某些嚴重的情況下,還會威脅通信設備和人員的安全。另外,高壓直流 (HVDC)換流站換相過程中產生的電磁噪聲(3~10kHz)會干擾電力載波通信的正常工作,并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤,影響電網運行的安全。
       3.5對供用電設備的影響
       諧波會使電視機、計算機的圖形畸變,畫面亮度發生波動變化,機內的元件出現過熱,從而使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說,因為在一定參數的配合下,會形成某次諧波頻率下的諧振,使鎮流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置,諧波可能會使晶閘管誤動作或使控制回路誤觸發。

       4諧波的抑制方法
       諧波問題是關系到供電系統的供電質量的一個重要問題,在供電系統中對諧波的抑制即為如何減少或消除注入系統的諧波電流,以便把諧波電壓控制在限定值之內,抑制諧波電流主要有以下三方面的措施。
       4.1降低諧波源的諧波含量
       在諧波源上采取治理措施,從源頭上最大限度地避免諧波的產生。這就需要在設計、制造和使用諧波源設備時,要注意諧波對供電系統及其供用電設備的影響,采取切實可行的治理措施。用電業務管理部門要嚴格把關,對于沒有采取治理措施的諧波源用戶,要禁止其入網運行。
       4.2在諧波源處吸收諧波電流
       這種方法是對已有諧波進行有效抑制的方法,也是目前電力系統使用最為廣泛地抑制諧波的方法。其主要方法有以下幾種:
       (1)無源濾波器
       無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側,由L、C、R元件構成諧振回路,當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時,即可阻止該次諧波流入電網。這種方法由于具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點,是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。
       (2)有源濾波器
       有源濾波器即利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為零,達到實時補償諧波電流的目的。
       (3)防止并聯電容器組對諧波的放大
       在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時,在一定的參數下電容器組會對諧波起放大作用,危及電容器本身和附近電氣設備的安全??刹扇〈撾娍蛊?,或將電容器組的某些支路改為濾波器,還可以采取限定電容器組的投入容量,避免電容器對諧波的放大。
       (4)加裝靜止無功補償裝置
       快速變化的諧波源,如電弧爐、電力機車和卷揚機等,除了產生諧波外,往往還會引起供電電壓的波動和閃變,有的還會造成系統電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯裝設靜止無功補償裝置,可有效減小波動的諧波量,同時,可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數。
       4.3改善供電環境
       選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,可以有效地減小諧波對電網的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電,承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電,減少諧波對其它負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。

       5結束語
       諧波對供電系統及其供用電設備的影響,已經引起了社會的廣泛關注。抑制諧波的影響,提高電能質量是電力企業當前面臨的重大課題。它不僅要在電力系統中大力發展高效的濾波措施,還必須依靠全社會的努力,在設計、制造和使用非線性負載時,采取有力地抑制諧波的措施,減小諧波侵入電網,從而真正抑制諧波對供電系統及其供用電設備的影響。



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