有关谐波危害及治理措施的探讨

1 / 8 有关谐波危害及治理措施的探讨 摘要 :本文作者主要就电力系统谐波的危害做了阐述 ,同时对我国目前电力系统中进行谐波抑制常用的方法进行了分析。 关键词 :谐波危害 ;谐波抑制 ;治理措施 前言 在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态 ,为用户提供高效使用电能的手段。但是 ,电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重 ,影响了供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理 ,研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供 电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。 1.谐波及其起源 在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时 ,与所加的电压不呈线性关系 ,就形成非正弦电流 ,即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数 ,根据法国数学家傅立叶 (M. Fourier)分析原理证明 ,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列2 / 8 为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波 ,每个谐波都具有不同的频率 ,幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性 ,第 3、 5、 7 次编号的为奇次谐波 ,而 2、 4、 6、 8 等为偶次谐波 ,如基波为 50Hz时 ,2次谐波为 l00Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲 ,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中 ,由于对称关系 ,偶次谐波已经被消除了 ,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载 ,出现的谐波电流是 6n1 次谐波 ,例如 5、 7、 11、 13、 17、 19 等 ,变频器主要产生 5、 7 次谐波。 2.谐波的主要危害 谐波污染对电力系统的危害是严重的 ,主要表现在 : 2.1 谐波对线路的影响 对供电线路来说 ,由于集肤效应和邻近效应 ,线路电阻随着频率的增加会 很快增加 ,在线路中会有很大的电能浪费。另外 ,在电力系统中 ,由于中性线电流都很小 ,所以其线径一般都很细 ,当大量的谐波电流流过中性线时 ,会在其上产生大量的热量 ,不仅会破坏绝缘 ,严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时 ,会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿 ,造成恶性事故。 2.2 对电力变压器的影响 谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流3 / 8 损耗及铜损 ,对带有不对称负荷的变压器来说 ,会大大增加励磁电流的谐波分量。 2.3 对电力电容器的影响 由于电容器对谐波的阻抗很小 ,谐波电流叠加到基波电流上 ,会使电力电容器中流过的电流有很大的增加 ,使电力电容器的温升增高 ,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形成谐振 ,并又施加到电网中。 2.4 对电机的影响 谐波会使电机的附加损耗增加 ,也会产生机械震动 ,产生甚至引起谐波过电压 ,使得电机绝缘损坏。 2.5 对继电保护和自动装置的影响 对于电磁式继电器来说 ,电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动 ,造成整个保护系统的可 靠性降低 ,容易引起系统故障或使系统故障扩大。 2.6 对通信线路产生干扰。 在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时 ,通过电磁耦合 ,会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作 ,使通话清晰度降低 ,甚至会引起通信线路的破坏。 2.7 对用电设备的影响 4 / 8 电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动 ,图像或图形发生畸变 ,甚至会使机器内部元件损坏 ,导致机器无法使用或系统无法运行。 3.谐波抑制方法 在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统 的谐波电流 ,以便把谐波电压控制在限定值之内 ,抑制谐波电流主要有三方面的措施 : 3.1 采取脉宽调制 (PWM)法 采用脉宽调制 (PWM)技术 ,在所需要的频率周期内 ,将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲 ,这种方法可以大大抑制谐波的产生。 3.2 降低谐波源的谐波含量 也就是在谐波源上采取措施 ,最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极 ,能够提高电网质量 ,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有 : 3.2.1 增加整流器的脉动数 高次谐波电流与整流相 数密切相关 ,即相数增多 ,高次谐波的最低次数变高 ,则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为 6 相 , 为了降低高次谐波电流 ,可以改用 12 相或 34 相。当采用 12 相整流时 ,高次谐波电流只占全电流的10%,危害性大大降低。 3.2.2 脉宽调制法 5 / 8 采用 PWM,在所需的频率周期内 , 将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。 3.2.3 三相整流变压器采用 Y- d (Y ) 或 D、 Y( Y) 的接线 当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时 ,可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成 Y 型和 形 , 这就可使5 次、 7 次谐波相互抵消 ,而只需考虑 11 次、 13 次谐波的影响 ,由于频率高 ,波幅值小 ,所以危害性减小。 3.3 在谐波源处吸收谐波电流 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 : 3.3.1 无源滤波器 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6 / 8 滤波器。 3.3.2 有源滤波器 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。 3.3.3 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。 3.3.4 加装静止无功补偿装置 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7 / 8 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。 3.4 改善供电系统及环境 对于供电系统来说 ,谐波的产生不可避免 ,但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级 、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡 ,可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电 ,承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电 , 减少谐波对其它负荷的影响 ,也有助于集中抑制和消除高次谐波。 4.结语 随着我国电能质量治理工作的深入开展 , 综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题 , 是电力企业当前面临的一大课题。针对这一课题深入研究 , 在设计、制造和使用 非线性负载时 ,采取有力的抑制谐波的措施 , 不仅能够改善整个网络的电力品质 ,