電網中高次諧波危害抑制措施
引言
隨著電力電子器件及微電子技術的迅速發展,大量的非線性用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業領域,如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設備等接入電力網,是電網的諧波污染狀況日益嚴重,降低了系統的電能質量。
1.諧波產生的原因
電力網中的諧波有多種來源,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。
在其它幾個環節中,諧波的產生主要是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沒備,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)的顯著的特點是它們從電網取用非正弦電流,即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓、電流特性,使得流過電網的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產生了諧波,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。
接入低壓電力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。穩定的諧波電流是指由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隨時間變化,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,所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。
2.諧波的危害
大量諧波電流流入電網后,由電網阻抗產生諧波壓降,疊加在電網基波上,引起電網的電壓畸變,致使電能質量變差。當注入公用電網的諧波超過一定值時,會對電網自身及用電設備的正常運行造成損害: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,這不但使接入該電網的設備無法正常工作,甚至造成故障,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。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。
電網中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。
ⅰ增加了發、輸、供和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。
(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心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統中,用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。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顯著。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,國際上一般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%。
諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大,但諧波會產生顯著的脈沖轉矩,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。
(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,使繞組過熱;對星形連接的變壓器,當繞組中性點按地,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)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的中性線的電流增大,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組成串聯回路或并聯回路時,在一定的參數配合條件下,會發生串聯諧振或并聯諧振。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,以至損壞設備,與此同時還可產生相當大的諧波網損。
(4)對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高,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、過電壓等而不能正常運行。
ⅱ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上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧陸等諧波源還是負序源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘,則后果嚴重)、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,嚴重威脅電力系統的安全運行。
ⅲ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的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。這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞,而且還要多交電費。
ⅳ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,在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓,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,觸發電話鈴響,甚至在極端情況下,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。
ⅴ對用電設備的影響
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,并使機內的元件出現過熱,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,會因為在一定參數的配合下,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,諧波可能使晶閘管誤動作,或使控制回路誤觸發。
篇2:電網中高次諧波危害抑制措施
引言
隨著電力電子器件及微電子技術的迅速發展,大量的非線性用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業領域,如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設備等接入電力網,是電網的諧波污染狀況日益嚴重,降低了系統的電能質量。
1.諧波產生的原因
電力網中的諧波有多種來源,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。
在其它幾個環節中,諧波的產生主要是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沒備,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)的顯著的特點是它們從電網取用非正弦電流,即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓、電流特性,使得流過電網的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產生了諧波,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。
接入低壓電力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。穩定的諧波電流是指由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隨時間變化,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,所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。
2.諧波的危害
大量諧波電流流入電網后,由電網阻抗產生諧波壓降,疊加在電網基波上,引起電網的電壓畸變,致使電能質量變差。當注入公用電網的諧波超過一定值時,會對電網自身及用電設備的正常運行造成損害: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,這不但使接入該電網的設備無法正常工作,甚至造成故障,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。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。
電網中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。
ⅰ增加了發、輸、供和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。
(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心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統中,用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。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顯著。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,國際上一般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%。
諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大,但諧波會產生顯著的脈沖轉矩,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。
(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,使繞組過熱;對星形連接的變壓器,當繞組中性點按地,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)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的中性線的電流增大,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組成串聯回路或并聯回路時,在一定的參數配合條件下,會發生串聯諧振或并聯諧振。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,以至損壞設備,與此同時還可產生相當大的諧波網損。
(4)對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高,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、過電壓等而不能正常運行。
ⅱ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上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧陸等諧波源還是負序源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘,則后果嚴重)、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,嚴重威脅電力系統的安全運行。
ⅲ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的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。這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞,而且還要多交電費。
ⅳ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,在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓,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,觸發電話鈴響,甚至在極端情況下,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。
ⅴ對用電設備的影響
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,并使機內的元件出現過熱,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,會因為在一定參數的配合下,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,諧波可能使晶閘管誤動作,或使控制回路誤觸發。
篇3:諧波諧振危害及防治措施
在電網運行中,不可避免地會產生諧波與諧振,二者既有聯系,更有區別,以下就其定義、產生原因、危害及預防措施作以介紹,供參考。
1、定義
諧波是一個周期的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數倍,又稱高次諧波。通俗地說,基波頻率是50HZ,那末諧波就是頻率為100HZ、150HZ、200HZ...N*50HZ的正弦波。諧振是交流電路的一種特定工作狀況,在由電阻、電感和電容組成的電路中,當電壓相量與電流相量同相時,就稱這一電路發生了諧振。諧波在電網中長期存在,而諧振僅是電網某一范圍內的一種異常狀態。
2、產生原因
諧波的產生是由于電網中存在著非線性負荷(諧波源),如電力變壓器和電抗器、可控硅整流設備、電弧爐、旋轉電機、家用電器等,另外,當系統中發生諧振時,也要產生諧波。
諧振的發生是由于電力系統中存在電感和電容等儲能元件,在某些情況下,如電壓互感器鐵磁飽和、非全相拉合閘、輸電線路一相斷線并一端接地等,在部分電路中形成諧振。諧波也可產生諧振,由諧波源和系統中的某一設備或某幾臺設備可能構成某次諧波的諧振電路。
3、危害及防治措施
由于諧波的存在,使得電壓、電流的波形發生畸變,可導致變壓器、旋轉電機等電氣設備的損耗增大;電容器絕緣老化加快,使用壽命縮短;引起系統內繼電保護和自動裝置誤動或拒動;干擾通訊信號等危害。
當電網中諧波含量超出國家規定,就必須采取措施消除或抑制諧波,電力系統多采用濾波器裝置來消除諧波。諧振可導致系統一定范圍內的過電壓和過電流。諧振過電壓不僅危害設備的絕緣,而且產生大的零序電壓分量,出現虛假接地和不正確的接地指示,并使小容量的異步電機發生反轉。持續的過電流會引起PT熔件熔斷甚至燒毀PT。在發生諧振時,運行人員應根據電壓、電流的異常指示,判斷諧振類型及可能產生的原因,并果斷采取措施,防止事故擴大。