关于电网谐波的危害及治理.doc

目录一、谐波的危害及治理标准（一） 谐波产生的原理（二） 谐波的危害（三） 谐波治理的标准二、 谐波的监测及管理方法（一） 谐波监测设备（二） 谐波管理方法三、 谐波的治理（一） 滤波设备简介（二） 谐波治理的过程及常见问题（三） 滤波装置的效果四、 亿能电气滤波设备的应用（一） 公司简介（二） 科研力量（三） 产品特点（四） 工程应用电网谐波治理的探索 无锡亿能电气有限公司一、谐波的危害及治理谐波的标准 （一）谐波产生的原理供电系统谐波产生主要有两类负荷：电力电子设备（变流设备）和电弧电磁。电力电子设备是由于电路中强迫换流而产生谐波，比如三相全波整流。这是应用最多产生谐波的电路或设备。变压器设计不当和电弧炉也产生谐波。冶金、石油、半导体、电气化铁道、印刷等行业是谐波的产生大户。常用工业设备整流直流电源，变频电源。如电解铝厂的电解槽设备，钢厂轧钢机、电弧炉，直流镀膜设备，半导体材料生产设备，中频熔炼炉等都是产生谐波的设备，其产生的谐波对供电系统有不可忽视的破坏作用。一般变流装置的原理结构为三相交直整流、交直交变频和交交变频（较少应用）。 大量应用的为整流和交-直交变频设备。inverter中频-直流+整流设备 变频设备这类设备在三相电源交流侧产生的特征谐波电流次数由整流脉波数P决定：六脉波整流： h=6P1 P=1,2,3,十二脉波整流: h=12P1 P=1,2,3,则可以确定，产生的特征谐波主要为5、7、11和13次谐波。谐波次数越高，谐波含量越小。所以更高次的谐波可忽略。根据这个原理，可以设计制造高脉波整流设备，以减少某些谐波含量。YD 十二脉波整流电路结构变流设备在产生谐波的同时，使设备运行功率因数也比较低，影响供电质量。一般此类设备的功率因数在0.7左右。（二）谐波的危害谐波危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：1.对供配电线路的危害（1）影响线路的稳定运行供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对谐波含量较高时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。（2）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。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。2.对电力设备的危害（1）对电力电容器的危害当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。因谐波致使“鼓肚”的电容器（2）对电力变压器的危害谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时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，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。(3）对电力电缆的危害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。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。因谐波使导线接头处过载 （4）对用电设备的危害对电动机的危害：谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。（5）对低压开关设备的危害对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。对于熔断器而言，一般的熔断器是由于发热导致熔片熔断的.熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感；如果谐波含量较大，熔断器易爆裂。（6）对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。（7）影响电力测量的准确性目前采用的电力测量仪表中有电磁型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。（三）谐波治理的标准随着1994年3月1日国家技术监督局发布电能质量 公用电网谐波GB/T14549-93国家标准的颁布实施，以法律的形式规定了供电系统的谐波限制及治理标准。电力部门对谐波的危害和治理的认识也得到进一步提高，积极创造条件对供电系统的谐波进行综合治理。1、国家标准谐波电压限制国家标准GB/T 14549-93电能质量 公用电网谐波规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见下表：公用电网谐波电压限值（相电压）电网标称电压, kV电压总谐波畸变率, %各次谐波电压含有率，%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.82、国家标准谐波电流允许值国标中规定在核定基准短路容量下注入系统公共接点的各次谐波电流允许值如下表所示：注入公共连接点的谐波电流允许值标称电压短路容量谐波次数及谐波电流允许值，A23456789101112130.3810786239622644192116281324610043342134142411118.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93525015127.7135.18.83.84.13.15.62.64.76650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.7标称电压短路容量谐波次数及谐波电流允许值，A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1146.51261006.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.8101003.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1352502.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.5665002.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.61107501.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9二、谐波监测及管理方法（一）谐波测试仪器简介1、瑞士的“LEM-2060”，主要用于低压系统的电能质量检测，其电压量程为：700VAC，电流的量程为0-2000A，可以直接在低压400V系统中测量。该仪器只能对单相进行测量，要测量三相的参数时，只能分别进行。同时，也正因为该仪器的电流量程达到2000A，因此，在小电流时，即在5A以下时，仪器的灵敏度就较差，反映不出所测试系统的电能质量各个参数。2、日本富士电机公司的新型电能计测终端power satellite II（简称PS-2）进行测量记录采样数据。“PS-2”可以对三相电压/电流进行监测，利用相关的软件对监测并记录的数据进行综合分析。该设备带有LAN(10Base),所以可以和各种带有网络的设备相连，实现远距离操作、监视和数据采集。也就是说，该设备一旦安装在10KV变电站的主变处，给出一个网址，就可以在任何一台可以上网的电脑上实现对电网电能质量的监测和数据采集，可以远距离了解所监测点的用电情况，即电能质量。非常方便。不仅可以了解所监测点的谐波数据、波形，含量，还可以清晰地看到该系统的有功功率、无功功率等电能参数。该仪器在二次侧进行测量，使用方便，测量准确。唯一的缺点是比较重，携带不方便。适用于安装在固定的地点。3、“日置3197”，该仪器是目前市场上最理想的便携式PQA，能既方便的捕获电流/电压的各种参数，测量并记录功率和功率因数等，我们也选择在二次侧监测，这样既方便又安全，避开了一次的大电流，其电压量程是600V,电流量程是0-5A,只要输入电流变比，就能清晰地显示出所测的电流及其各项参数。该仪器的特点是携带方便，使用也方便，其随机的电池可以连续使用7个小时。其测量的数据可以输送到电脑上进行进一步的分析，为制定一个完整可行的滤波方案提供切实可用的数据和实时波形。4、清华大学的“Hi-II型供电系统谐波检测仪”是一台轻便适用的检测仪器，它也同样具有上述的各种仪器的特点，测量准确，方便，参数齐全等。（二）谐波测试及管理方法（举例）1、监测情况简介浙江恒信机械有限公司使用的是规格为0.5T的中频炉，没有装设任何消谐滤波装置。为了评估该厂的谐波情况，监测点选在10kV侧高压计量柜，采集了一定时间的10 kV进线的Uab、Ubc和Uca三个线电压以及A相和C相电流，采样频率为4800Hz，每隔1min记录一次，每次记录时长为0.25s，分析结果取95%的概率值。测量时间为3月7日16:16到3月8日07:31，分析所用数据选择谐波量最大的时间段，为3月8日04:31到06:51。2、 谐波标准简介本次测量主要依据国家标准 GB/T 14549-1993电能质量-公用电网谐波。公用电网谐波电压限值见表1。表1 公用电网谐波电压(相电压)限值电网标称电压, kV电压总谐波畸变率, %各次谐波电压含有率，%奇 次偶 次0.385.04.02.06、1043.21.6公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2的谐波电流值的换算应按照公式（1）和公式（2）。表2 公用电网谐波电流限值标准电压kV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值（A）23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.51210100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1Ih=IhpSk1/Sk2 （1）式中：Sk1公共连接点的最小短路容量，MVA；Sk2基准短路容量，MVA；Ihp表2中的第h次谐波电流允许值，A；Ih短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值（Ihi）按公式2计算：Ihi=Ih(Si/St)1/ （2）式中：Ih按公式1换算的第h次谐波电流允许值，A；Si第i个用户的用电协议容量，MVA；St公共连接点的供电设备容量，MVA；相位叠加系数，按国标表3取值。表3相位叠加系数h35711139|13|偶次1.11.21.41.81.923、 监测结果及分析（1）监测所得波形（2）数据分析所有分析结果为3月8日04:31到06:51时间段的平均值，其中谐波分析的每个数据分析段为960个采样点（即10个周期，频率分辨率为5Hz）。有效值： UaUbUcIaIc9937.99945.289901.5121.8422.79视在功率：373.08kVA。有功功率：305.44kW。无功功率：214.2kVar。功率因素：0.82。总谐波畸变率： THDUabTHDUbcTHDUcaTHDIaTHDIc6.8397.7077.84627.09126.931各次电压电流谐波含有率见表4。表4 各次电压和电流谐波含有率谐波次数Uab(%)Ubc(%)Uca(%)Ia(%)Ic(%)20.040.0430.0440.3370.29430.4880.4780.3171.4720.93540.0280.020.0190.1250.10953.6213.6423.84321.88821.98360.0230.0260.0170.0640.05571.5031.4391.7959.48.70680.0140.0150.0160.050.05590.3520.250.2531.0690.373100.020.0220.0180.0580.077112.5772.8242.5487.1537.704120.0210.020.0260.0540.075132.0811.8122.4135.6025.037140.0250.0240.0260.0520.056150.6380.4330.5371.0230.242160.0350.0330.0260.0570.065172.6683.1481.9673.9974.609180.0390.0390.0360.0570.06192.1111.7983.0524.0243.473200.0670.0850.0750.1270.107210.450.2460.5781.0210.195220.0530.0810.0820.1410.131231.0512.5851.8282.6683.257240.0180.0330.0330.0530.048250.6091.5591.8923.1362.591由表4可知谐波电压以5、7、11、13、17、19、23次为主，谐波电压THD和5次谐波电压均已超过国家标准；谐波电流以5、7、11、13、17、19、23次为主，其中5、7、11、13次谐波电流最为突出。各次数谐波电流有效值见表5。表5 各次谐波电流有效值谐波次数2345678910111213141516171819202122232425A相0.070.310.034.610.011.980.010.230.011.510.011.180.010.220.010.840.010.850.030.220.030.560.010.66C相0.060.210.024.840.011.920.010.080.021.70.021.110.010.050.011.010.010.760.020.040.030.720.010.57为了判断此处的谐波电流是否超标，需要估计此处的短路容量以换算与国标相比的电流值。同时应根据最小运行方式下通过用户协议容量和公共连接点供电容量来决定此用户的谐波电流允许值，所使用的数据如表6所示。表6 谐波电流计算所使用的数据高压侧最小短路容量130MVA公共连接点最小运行方式下供电容量（变电所主变最小运行方式下的容量）31.5MVA协议受电容量（用户变压器容量）500KVA由表6可算得，公式1中的Sk1/Sk2=1.3，故国标10kV的谐波电流限值乘以1.3就是此公共连接点的谐波电流限值；公式2中的Si/St=0.015873，根据表3的相位叠加系数再换算一下，便可得到用户侧的谐波电流限制，如表7所示。表7 换算国标与实际电流谐波情况对比表谐波次数2345678910111213141516171819202122232425A相0.070.310.034.610.011.980.010.230.011.510.011.180.010.220.010.840.010.850.030.220.030.560.010.66C相0.060.210.024.840.011.920.010.080.021.70.021.110.010.050.011.010.010.760.020.040.030.720.010.57用户限值4.260.602.130.821.391.011.051.110.841.210.701.160.610.670.520.980.460.880.430.470.380.740.340.67国标-13033.82616.92611.0519.58.328.846.6312.095.5910.274.815.334.167.83.647.023.383.772.995.852.735.33国标-100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.262.85.42.62.92.34.52.14.1由表6可知，A、C相电流中的5、7、11次谐波电流以及A相的13次和C相的17次谐波电流均超过了国家标准。三、谐波的治理 （一）滤波装置简介：供电系统存在谐波就应该进行治理。一般都采用装设无源滤波器（FC）的技术来达到滤波的目的。装设滤波器的同时可以对供电系统进行功率因数的补偿，一举两得。常用滤波器（FC）有多种结构，如下图所示。LCLRCLC1C2R图1 常用滤波补偿支路及其接线方式(1)单调谐滤波支路(2)二阶减幅型滤波支路(3)C型滤波支路(1)（2）(3)单调谐滤波器由于其结构简单、维护方便及价格较低而被广泛采用。低压（400V）滤波补偿装置高压（10kV）滤波补偿装置由于大多生产负荷是在不断变化的，所以滤波支路补偿量也要跟随发生变化，避免出现过补偿现象。静止无功补偿器SVC静止无功补偿器有多种结构TCT、TCR、TSC、SR。TCRTSCSRTCTTCR调功原理SVC=FC + 调功器TCR变化的负荷调功器TCR滤波器FC常数调功器TCR可用电力电子技术实现.现在的技术有源滤波器APF（二）谐波治理的过程及常见问题1、一般滤波补偿项目实施过程有：（1）全面了解供电系统技术资料和参数，负荷工况和性质等；（2）根据以上资料设计计算滤波补偿容量、配置、参数；（3）安装；（4）调试；（5）投运。2、无功补偿和谐波滤波技术是常采用的技术措施,但经常会出现一些问题。（1）补偿电容经常损坏a. 经常投入运行,由于冲击电流较大,造成电容损坏.解决措施电容器可串接一电抗器;b. 供电系统存在谐波源,使电容器过载.解决措施电容器可串接一电抗器;如何认定过载？支路额定电流值可以快速估算出支路电流A, 补偿容量kVar,（2）滤波支路投运后过载a. 供电系统是否已有电容补偿，如有，则会发生谐波放大现象。改造或取消电容补偿。b. 系统是否有背景谐波电压,需测量确定.如有则需更改滤波支路设计参数;c. 系统是否有较大的非特征谐波,因一般设计的滤波补偿支路是针对特征谐波的,它们可能对非特征谐波产生放大.解决措施应调整生产设备,因一般产生非特征谐波,是由于可控整流环节个别整流元件损坏或触发信号不对称引起;d. 滤波补偿支路设计是否合理，应做必要的仿真计算以确定。（三）滤波装置的效果投入滤波装置前后电能质量的对比 总线未投容各次谐波 总线投容后各次谐波 总线未投容功率因数 总线投容后功率因数 总线未投容电压、电流波形 总线投容后电压、电流波形 数据分析对比： 投容前投容后滤波效果五次谐波电流（A）2926179.1%七次谐波电流（A）381852.6%十一次谐波电流（A）663153.0%基波电流（A）928653功率因数0.6570.981电压畸变率（%）9.74.0结论：投入滤波装置后，电压畸变率和各次谐波电流均符合国家标准，电能质量明显改善。四、亿能电气滤波设备的应用（一）公司简介无锡亿能电气有限公司位于无锡国家高新技术产业开发区，是一家高科技的电力成套设备及其元器件的实业公司。公司多年来致力于高低压滤波/无功补偿装置、智能控制器、高低压干式铁芯电抗器、高压干式互感器、干式变压器等产品的研发与制造，拥有多名具有丰富经验的高级工程师和工程师，有本科及以上的青年技术人员20多名。我们竭诚为用户提供测试、设计、制造、安装和调试等一整套的一条龙专业服务，制定最优化的解决方案为用户最大限度地节省投资。（二）科研力量我们和清华大学、浙江大学建立了紧密的人才培养和技术交流合作关系，使我们能及时了解当今国内外电网发展的新动向新技术。1、我公司是浙江大学电力系统及其自动化专业博士研究生实习基地，我们合作研发的抗谐波干扰的新型智能控制器和可控硅快速投切装置为无源滤波装置的可靠运行提供了保障。2、我公司和清华大学电机工程与应用电子技术系就谐波治理方案的合作已开展多年，共同开发了滤波方案的设计软件和仿真计算，并取得了多个工程的成功经验与实绩。与两所著名高校的合作，使我公司在技术和工程运作上的整体实力有了强有力的支撑和依托。（三）滤波产品特点1、滤波电抗器。在谐波含量高的环境中，电抗器的铁芯及线圈的发热要比没有谐波时要高的多。我们通过谐波发生器研究各种谐波环境下电抗器的温升，得到可靠的温升数据，进而提高了我们自主研发生产的滤波电抗器的抗谐波能力。2、滤波电容器。充足的裕度使电容器的过压能力提高到1.38倍，过流能力提高到1.7倍（连续）。3、可控硅投切装置。该装置采用了无触点频繁投切开关，能够在30ms内响应负荷波动，投切滤波装置，满足无功及滤波的需求，主要适用于负荷变化快，工作周期短、频率高的环境。另外能在谐波较高的环境下可靠触发，不会产生误投误切的现象。4、谐波控制器。该控制器在谐波含量较高的环境下能准确显示各项参数并可靠投切，抗干扰能力强。另外采用先进的控制策略，综合了滤波装置的性能和系统无功功率与谐波含量进行合理投切。（1） 控制器可用于三相电网，按相位标记接入而无须考虑电流方向。（2） 谐波分析，测量总的谐波失真（THD）以及1-31次谐波电压、谐波电流，为抑制谐波提供准确依据。（3）先进的快速数字信号测量系统（DSP），在电网一周波（20ms）内能对电网的各项参数进行测量。（4） 中文界面，汉字提示，可实时显示电网所有的主要参数。（功率因数，电压，电流，谐波电压，谐波电流，有功功率，无功功率，频率）（5） 越限报警和保护闭锁功能。（过电流，过电压，欠电压，功率超标，*投切不成功或不起作用）（6）手动控制和自动运行两种工作方式。（四）工程应用1、广东普利司通（惠州）轮胎有限公司。该公司主要负载为变频器，采用了电容器加普通串联电抗器的无功补偿装置，生产一段时间后发生了变频器频繁烧毁的现象，无功补偿装置中的电抗器因过热而损坏，许多电容器也产生“鼓肚”现象，造成了巨大的经济损失。我们到现场后经过仔细测量，制定了相应的滤波方案，运行后滤波效果明显，完全消除了变频器因谐波而烧毁的现象，并且提高了功率因数，为企业创造了效益。2、上海大众爱知锻造有限公司。该公司主要负载为中频加热炉，运行时变压器噪声较大且发热严重。我们经过测量，制定了相应的滤波方案，运行后滤波效果明显，变压器噪声降低了十几分贝，发热也减小很多，同时变压器裕量得以释放，厂家对此非常满意，并且在锻造协会为我们宣传与推荐。3、浙江及山东部分地区。这些地区集中了大量的钢铁冶炼和电解企业，主要负载为中频冶炼炉和整