（电气工程专业论文）内蒙古鄂尔多斯电厂总降站电网谐波分析及治理的研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文内蒙古鄂尔多斯电厂 总降站电网谐波分析及治理的研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业 学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文 中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位敝作者躲丝堕竺日期：埋! ：垒：竖 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 日期：婴丝i 参! 哆日期： 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 谐波是电能质量的重要指标之一。随着经济的高速发展，在电力系统向超高压、大 电网、大容量、自动化方向发展的同时，电弧炉、荧光灯和其他的晶闸管换流设备等非 线性负荷也被广泛应用。这些非线性负荷在工作时向电网反馈高次谐波，导致供电系统 的电压、电流波形发生畸变，使电能质量变坏，对电力系统安全、稳定、经济运行构成 潜在的威胁。本文以内蒙古鄂尔多斯电厂总降站电网谐波情况为研究对象，对系统内的 谐波源进行了分析，并针对谐波测量情况提出治理措施，为内蒙古鄂尔多斯电厂总降 站的安全稳定运行起到了一定的积极作用。 关键词：电能质量，谐波，电弧炉 a b s i r a c t h a r m o n i c si so n eo ft h ei m p o r t a n ti n d i c a t o r so fp o w e rq u a l i t y w i t ht h er a p i de c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n d t h ed e v e l o p m e n to f p o w e rs y s t e mt o w a r d st h ed i r e c t i o no fe x t r ah i g hv o l t a g e l a r g ee l e c t r i cn e t w o r k ，h i 9 1 1c a p a c i t ya n da u t o m a t i o n ，e l e c t r i ca r cf u m a c e ，f l u o r e s c e n tl i g h t ， t h y r i s t o rd e v i c ea n do t h e rn o n l i n e a rl o a d sh a v ea l s ob e e nw i d e l yu s e d d u r i n gt h ew o r ko f t h e s en o n - l i n e a rl o a d s ，t h e yw i l lf e e d b a c kh i g hh a r m o n i c st ot h ep o w e r 面d ，c a u s i n gt h ew a v e f o i md i s t o r t i o no fv o l t a g ea n dc u r r e n ti np o w e rs y s t e ma n dd e s t r o y i n gt h ep o w e rq u a l i t y , s ot h a tt h es a f e t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e mw i l lb ep o s e dw i t hap o t e n t i a l t h r e a t i nt h i sp a p e r , t h eh a r m o n i cc o n d i t i o n si nt h eg e n e r a ls t e p d o w ns t a t i o no fi n n e rm o n g o l i ae r d o sp o w e rp l a n ta r es e l e c t e da ss t u d yo b j e c t ，a n dt h eh a r m o n i c ss o u r c ew i t h i nt h es y s t e ma r ea n a l y z e d i nl i n ew i t hh a r m o n i cm e a s u r e m e m ，c o n t r o lm e a s u r e sa r ep r o p o s e d ，w h i c hp l a y ac e r t a i np o s i t i v er o l ei nt h es a f e t ya n ds t a b i l i t yo ft h eg e n e r a ls t e p d o w ns t a t i o no fi n n e r m o n g o l i ae r d o sp o w e rp l a n t h ex i a o h u a ( p o w e rp la n te l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nz o n gw e i ，l i uj i n h u i ( e n g i n e e r i n gm i s s i o n ) k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , h a r m o n i c s ，e l e c t r i ca r cf u r n a c et 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论：1 1 1 选题意义1 1 2 电力系统谐波研究的现状2 1 3 论文的主要工作3 第二章谐波源分析4 2 1 谐波的产生4 2 2 各种谐波源分析6 2 2 1 变压器产生的谐波6 2 2 2 电弧炉产生的谐波8 2 2 3 其它谐波源8 第三章谐波对设备造成的危害1 1 3 1 谐波对旋转电机的影响1 1 3 2 谐波对静止电力设备的影响1 2 3 2 1 输电系统1 2 3 2 2 变压器1 2 3 2 3 电容器组1 3 3 2 4 电力电缆13 3 2 5 断路器1 3 3 3 谐波对电力系统保护的干扰1 4 3 3 1 故障情况的谐波问题1 4 3 3 2 非故障情况的谐波问题1 5 3 4 谐波对测量仪器的干扰1 5 3 5 谐波对通信系统的干扰16 第四章谐波抑制方法，17 4 1 谐波测量17 4 1 1 几种不同的测量方法及其基本原理17 4 1 2 谐波测量仪的精度1 9 4 1 3 谐波测量仪的分类2 0 ! 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 1 4 测试时的注意问题2 0 4 2 谐波抑制措施2 2 4 2 2 在谐波源处吸收谐波电流2 4 4 2 3 改善供电环境2 9 第五章内蒙古鄂尔多斯电厂总降站电网谐波治理措施3 0 5 1 内蒙古鄂尔多斯电厂总降站系统配置及运行状况3 0 5 2 内蒙古鄂尔多斯电厂总降站系统谐波测量3 0 5 3 谐波允许值的标准3 1 5 4 谐波分析3 6 5 5 谐波治理方案3 7 5 5 1 规范谐波管理3 8 5 5 2 抑制谐波的措施3 8 5 5 3 目前己采取的措施3 8 5 5 4 谐波抑制设计方案j 3 9 5 5 5 谐波治理效果4 0 第六章结论与展望4 1 参考文献4 2 致谢4 5 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 选题意义 第一章绪论 随着经济的发展、人们生活水平的不断提高，各电力用户对供电质量及 供电可靠性的要求也越来越高。在电力系统向超高压、大电网、大容量、自 动化方向发展的同时，电弧炉、荧光灯和其他的晶闸管换流设备也被广泛应 用，特别是电力电子设备的引入，使得电力系统的谐波危害日益严重。谐波 是电能质量的重要指标之一，因此电力系统谐波问题越来越受到人们关注。 对谐波进行有效的治理，会产生明显的社会经济效益。 谐波的主要危害： 谐波可增加电力系统的功率损耗( 如线损) ，降低发电、输电及用电设备 的效率，使无功补偿设备不能j 下常运行等，给系统和用户带来危害。 谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗降低效率；产生机 械振动、噪音，长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏；发热增加，加速 绝缘老化，缩短设备使用寿命。 谐波对线路的主要危害是引起附加损耗。谐波使电力电缆容量减小，损 失增加，老化加剧，泄漏电流加大，有时引起单相对地击穿，造成三相短路。 谐波可引起系统的电感、电容发生并联谐振和串联谐振，使谐波放大。 当谐波引起系统谐振时，产生谐波过电压或谐波过电流，会使测量仪表的误 差增大，引起继电保护及安全自动装置误动，使设备的附加损耗、振动、噪 音、发热等危害大大增加，损坏系统设备( 如电力电容器、电缆、电动机等) ， 引发系统事故，威胁电力系统安全运行。 谐波可干扰通信设备，轻者产生噪音，降低通信质量；重者导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作。 谐波会造成电压闪变，使得工作环境恶化，有害人体健康并降低工作效 率。 内蒙古鄂尔多斯电厂总降站电网负荷主要为电弧炉，其生产过程中产生 大量谐波。由于谐波原因多次造成站内3 5 k v 设备故障或增加故障严重程度： p t 爆炸、c t 发热炸裂、消谐保险爆炸，3 5 k v 母线短路、保护拒动、出线电 缆接地故障频繁等等。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 可见，电弧炉等大型用电设备向电网注入的谐波已经严重影响到变电站 设备的安全运行。分析鄂尔多斯电厂电总降站的谐波来源及其危害、采取有 效措旋最大限度的抑制其影响可以提高变电站的稳定运行水平，是保障变电 站设备安全、稳定、经济运行的直接途径。 1 2 电力系统谐波研究的现状 从19 世纪末交流电成为一种新兴的动力形式时，人们就发现了电力电 压、电流波形畸变问题，开展了对波形畸变的原理及消除方法等的研究。随 着整流器等设备的推广使用，推动了电力谐波的研究，有关电工理论、计算 方法得到了发展。到2 0 世纪5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，推 动了换流器谐波问题的研究。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展， 大功率可控硅整流装置及新型的电力电子器件的开发与实际应用使公用电网 的波形产生严重畸变，影响到电网的安全可靠运行；同时公用供电系统的谐 波引起工业生产电子控制装置的失灵，使重要的生产过程中断，经济损失巨 大，这些促使了世界各国对谐波问题的广泛关注，许多国际学术组织制定了 包括供电系统、各项电力和用电设备及家用电器在内的谐波标准。国际电工 委员会i e c 和国际大网会议( c i g r e ) 相继组成了专门的工作组，开展了这 方面的工作。从19 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议 ( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，推动着谐波研究工作 深入开展。 我国国家技术监督局于19 9 3 年颁布了国家标准g b t 14 5 4 9 9 3 电能质 量公用电网谐波，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。我国 许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究。“九五 期间谐波 问题的研究被列入国家自然科学的助资项目。2 0 0 0 年3 月，国家自然科学基 金委员会在西安交通大学组织召开了“电力电子技术及电力谐波问题研讨 会 ；2 0 0 1 年4 月中国电力企业联合会在北京怀柔举办“现代电力电子技术 应用及电能质量研讨会 。2 0 0 2 年北京电力情报将谐波列为首要课题进行研 究。 目前，研究课题主要有以下几个方面【1 ，2 ，3 】： 1 谐波源的特性研究。电力系统高次谐波源在许多情况下可以当做电流 源来处理，但所有的谐波源均不是理想的电流源。在谐波特性方面尚有大量 的问题需要研究。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 谐波的影响及危害的研究。主要表现在对电力设备运行的影响；对继 电保护和自动装置的影响；对通讯的干扰；对电度计量及常用仪表指示的影 响；对电网损耗的影响。 3 谐波的测量仪器、测量方法及限制谐波标准的研究。用计算的方法比 较精确地获得电网谐波参数是很困难的，因此谐波测试工作在谐波研究中占 很重要的地位，其测量结果是谐波问题研究的主要依据。由于电子技术的发 展进步，已有许多仪器能对谐波进行连续测量。我国的国家标准 g b t 1 4 5 4 9 9 3 也对谐波的测量作了明确的规定。对非稳态波形畸变，有近年 来发展较快的小波变换、神经网络等，还有待寻求新的数学方法。 4 谐波的补偿和抑制措施研究。对谐波抑制的措施国内外主要从高次谐 波发生源、配电系统以及谐波抑制装置三方面进行。对已存在的谐波源主要 采用对谐波源进行改造及外接滤波器两种方式消除或减少谐波。对无源和有 源滤波器混合方式的研究更加广泛和深入。 5 电力系统模型及精度研究。变压器、电机、电容器、输电线路和线性 负荷，均有精确的谐波数学模型。非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗略的模 型，更准确的模型尚在讨论中。电力系统谐波与供电系统关系十分密切。畸 变波在电网上传播取决于电网参数，它可能使畸变受到抑制，亦可使畸变放 大。 6 谐波电流和电压的分析。大致分成线性分析、非线性领域分析和非线 性时域仿真三种方法。显然，系统各部分元件的数学模型直接影响到计算的 误差。目前对负荷的模型还研究的很不够，背景谐波对远离谐波电路的影响 也不可忽略。由于元件谐波阻抗的复杂性，加上谐波源的多样性和多变性， 给谐波分析工作带来一定的困难。 1 3 论文的主要工作 本论文的主要工作是分析内蒙古鄂尔多斯电厂总降站谐波源、谐波危害， 目的是提高设备管理人员对电力系统谐波危害的认识，找出影响系统及电气 设备安全运行的因素，同时根据站内谐波测量的数据提出治理方案。总体来 讲，包括以下几个方面： ( 1 ) 充分了解当前电力系统谐波研究情况，分析各种谐波源及其危害。 ( 2 ) 对内蒙古鄂尔多斯电厂总降站谐波进行监测，对测量情况进行分析， 制定谐波治理方案。 3 华北电力大学_ r ：程硕士专业学位论文 第二章谐波源分析 运行经验证明，电网中存在的谐波会危及变电站设备的安全运行。本章 对内蒙古鄂尔多斯电厂总降站的谐波源进行了分类，分析了谐波产生原因， 重点阐述了对站内注入谐波较为严重的几类谐波源的特征。 2 1 谐波的产生 从交流电的早期，电力系统设计中已把降低电压和电流波形畸变，使其 在可以接受的水平内作为一个问题。近年来，由于电力电子装置和对波形敏 感的负荷设备不断发展，增加了人们对这一问题的关注1 。由于电能的利用 越来越依赖于具有可控频率和可控电压的电源供应，而发电和输电仍以标称 不变的水平在运行，因此需要某种电源调节或变换形式加以弥补。通常采用 电力电子电路来实施，这种电路使电压和电流波形产生畸变，因此而使频率 拓扑改变的电路性能不可以用传统的单一频率向量理论来描述。在这种情况 下，稳态由一个接一个的周期性瞬态构成，其在设定一段合理长的时间内为 稳态性能，电压和电流波形符合傅里叶分析( f o u r i e ra n a l y s i s ) 的条件，则 可以用谐波分量来表达3 。电力系统谐波定义为电源所产生的频率( 或基波 频率) 整数倍频率的正弦电压和电流。谐波构成电源电压和负荷电流波形的 主要畸变成分。 正弦电压可以表示为 u ( t ) = 4 2 u s i n ( c o t + a ) ( 2 1 ) 式中u 一一电压有效值 口一一初相角 应广一角频率 卜一频率 r 一一周期 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感、电容上，其电流和电压分别 为比例、积分、微分关系，仍为同频率正弦波。当一个正弦电压源加在一个 非线性装置或负荷上，产生的电流不是完全正弦波形。由于存在系统阻抗， 这个电流造成一个非正弦电压降，因而在负荷端引起电压畸变，即电压中含 有谐波。非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期 t = 2 x c o 的非正弦电压“彻，一般满足狄早赫利条件，可分解为如下形式 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的傅里叶级数： u ( r o t ) = a 0 + ( 巳c o s n r o t + b s i n n o g t ) ( 2 - 2 ) n = l 式中 ：圭r u ( c o t ) d ( c o t ) ( r o t ) 2 芴。 巳= 昙r 。u ( c o t ) e o s 以f o r d ( r o t ) 吃= 三r 露“似墒刀f o r d ( r o t ) ( n = 1 ，2 ，3 ，) 或 u ( r o t ) = a 0 + 巳s i n ( n c o t + q ) ( 2 - 3 ) 式中，c 。、伊。和a 。、b 。的关系为 ：? q = 彳+ 研 织= a r c t g ( a 。吃) a o = qs i n o b o = 巳c o s 纯 在式( 2 2 ) 或( 2 3 ) 的傅里叶级数中，频率为1 t 的分量成为基波， 频率为大于1 的整数倍基波频率的分量称为谐波3 ，谐波次数为谐波频率和 基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流 的情况也完全适用，把式中u ( 缈t ) 转换成f ( 缈t ) 即可。 谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电 压与电流不成线性正比关系而造成波形畸变。向公用电网注入谐波电流或在 公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。 电网谐波按用电设备对电网的功用来说来自于3 个方面：一是发电源质 量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生谐波n 1 。其 中用电设备产生的谐波最多。在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大 比例，如：变压器、异步电动机、f 1 光灯等阻感负载不仅消耗有功功率，同 时也要吸收无功功率才能j 下常工作。在电力系统中，电力电子装置( 如：晶 体管整流器、可控硅调压器、逆变器等) 、变压器、发电机、电弧炉、口光灯 5 华北电力大学一 程硕+ 专业学位论文 等是主要的谐波源。 一切非线性的设备和负荷都是谐波源。当前电力系统的谐波源，按其非 线性特性的种类主要分为三大类印8 1 。 第一类铁磁饱和型：各种铁芯设备( 如变压器、电抗器等) ，其铁磁饱 和的特性呈现非线性。铁心饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐 波电流就越大。 第二类电子开关型：主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以 及双向晶闸管可控开关设备等。 第三类电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期 间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其 非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。 谐波源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压 降，便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波形电压产生畸变。 2 2 各种谐波源分析 2 2 1 变压器产生的谐波 ( 1 ) 变压器产生谐波的原理 电力变压器是输配电系统的主要谐波源。变压器的励磁回路实质上就是 具有铁芯绕组的电路。在不计磁滞及铁芯未饱和时，它基本上是线性电路。 铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸 变。饱和程度愈深，电流波形的畸变愈严重。 忽略磁滞并不计漏磁的空载变压器，当外加电压为正弦波”= 2 u s i n c o t 时，它被励磁回路反电动势所平衡，即： “：w d o ( 2 4 ) d t 式中w 为绕组匝数，巾为交变的主磁通。从而 巾：一塑c o s ( a t = 0 t 虬s i n ( o t 一罢) ( 2 5 )q = 一 钆一一l l 么bj w o o ”“ 2 。 即外加电压为正弦时，磁通也是正弦的，只是相位滞后电压。若铁芯是 线性的，其电流也是正弦的，当铁芯饱和变为非线性后，电流就会发生畸变。 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 若将铁芯磁化曲线近似表示为： i = 口巾+ 6 咖3 ( 2 6 ) 则可得电流为 州”沁蝴一辩城s i i l 3 ( 研一争 ( 2 - 7 ) = 皿s i n ( c a t 一罢) + 忸s i n ( 3 t o t 一要) 从( 2 6 ) 式即可看出电流发生畸变含有三次谐波。若在式( 2 - 6 ) 中计 入更多的高次项以便较好拟合铁芯的磁化曲线，则电流中将会有更多的谐波 项。此时电流波形正、负半波相同，半波对称，即电流只含有奇次谐波，其 中主要是三次谐波。不过，当变压器运行在( 或接近于) 额定电压时，其励 磁电流只有额定电流的1 2 ，不存在特殊的问题。 ( 2 ) 变压器谐波产生的特征 单相变压器产生的谐波 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路。在不计磁滞及铁芯 未饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加 电压是实际正弦波，电流也要发生畸变。饱和愈深，电流波形畸变愈严重。 三相变压器 对于三相变压器，铁芯的结构和变压器绕组的接线方式都对励磁电流的 畸变有很大影响。对三相三柱式变压器，其3 的倍数次谐波及零序性谐波分 量的磁通经由空气( 油及外壳) 构成回路，磁阻很大，因此这种变压器的零 序励磁电抗视为有限值( 远大于漏抗) ，3 次谐波电流将在此零序励磁电抗上 产生较大的压降，即为3 次谐波电压，很容易造成电压严重畸变。一般变压 器往往有一侧接成三角形接线，零序性电流将在其中流通而不进入供电系统。 一些大型变压器由于三相磁路不对称，零序性谐波电流将进入供电系统。 变压器励磁电流的谐波含有率和它的铁芯饱和程度有直接联系。j 下常运 行时，电压接近额定值，铁芯工作在轻度饱和范围，谐波不大。但在一些特 殊运行方式，如在夜间轻负荷期间，尤其是在一些供电的边缘地区，运行电 压偏高，导致铁芯饱和程度较严重，谐波增大。此时励磁电流占总负荷电流 的比重变大，对系统的影响较大特别是近代为提高经济性和材料利用率，变 压器铁芯经常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线也较陡更容易产生谐波。 变压器在断电后再次通电时，磁密可达2 b m a x 或b r + 2 b m a x 峰值水平( 几乎 华北电力大学：l 程硕士专业学位论文 为工作磁通的3 倍) 。在正常设计的变压器中，这种磁密的峰值可达3 4 t 或 4 7 t 。铁芯要极度饱和，这种情况可使励磁电流高达5 10 倍额定标么值， 其中2 次谐波含量最高。 2 2 2 电弧炉产生的谐波 电弧炉运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间， 电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此， 可以说冶炼过程是频繁的短路一一开路一一短路的过程，会引起用户端电压 波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是0 1 h z 3 0 h z ，这种谐波是以3 次 谐波为主。在熔化期，由于碎料连续运动和电焊之间电磁力的相互作用，这 种效应更为显著，由于存在大量固体未熔物，炉子状态极不稳定，这时电流波 形不规律，谐波含量大，主要是2 、3 、4 、5 、6 等较为低次谐波，间隙波丰 富，导致电网电压和电流的畸变，并产生强烈的电压波动和闪变，导致电压 不稳。精炼期电弧炉较稳定，谐波含量较小。 电弧炉的伏安特性类似于不规则的四边形，其大小随弧长而变。电流值 主要被炉子电缆( 和引线) 以及变压器的阻抗所限，可以达到6 0 k a 以上。这 些阻抗对供电电压有缓冲作用，故使电弧负荷呈现为相对稳定的谐波电流源。 不过，由于电弧长度突然改变引起电压随机变化会在更宽的频率范围内 产生谐波，主要是在0 1 3 0 h z 的范围内阳3 。在熔化期，由于碎料连续运动 和电弧之间电磁力的相互作用，这种效应更为显著。 在精炼期，电弧的特性较好一些，但因熔化金属表面有波动，仍然受到 电弧长度的某些调制。 2 2 3 其它谐波源 ( 1 ) 发电机 发电机是公用电网的电源，理想情况下，当在发电机励磁绕组中通以直 流电流并在磁极下产生正弦分布的磁场时，定子绕组中将感应出| 下弦的电动 势，发电机输出电压为正弦波。实际上发电机由于三相绕组在制作上很难做 到绝对对称，铁芯也很难做到均匀一致及其他一些原因，发电电源多少会产 生一些谐波，但一般很少。这种谐波电动势的频率、幅值只取决于发电机本 身的结构和工作情况，基本与外接负载无关。 ( 2 ) 晶闸管整流设备 r 华北电力大学工程硕士专业学位论文 由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方 面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采 用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部 分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相 整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量可达 基波的3 0 ；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增 大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路 含有5 次及以上奇次谐波电流。 ( 3 ) 直流调速传动装置 直流电动机的调速控制器通常采用6 脉冲桥式整流电路。由于直流电动 机的电感是有限的，故在直流电流中有3 0 0 h z 的脉动波( 即为基波频率的6 倍) ，这就改变了供电电流的波形，产生大量高次谐波电流。 ( 4 ) 不间断电源( u p s ) 由u p s 供电的负荷总是电子通讯类设备，这些设备开关电源本身是非线 性的，且含有大量的低次谐波。同时，u p s 本身要经过a c d c ，再经过d c d c 给蓄电池充电，同样会产生高次谐波。 ( 5 ) 交流调速装置 交流调速装置包括：变频器、软启动器( 调压调速装置) 等。变频器因 其节能效果显著、调节方便、维护简单、可实现网络化等特点，其在生产中 的应用越来越广泛。但变频器中大功率的二极管整流、大功率晶体管逆变会 使输入输出回路产生电力高次谐波，对负载及其临近设备产生干扰，输入端 的谐波还会通过输入电源线对公用电网产生影响n0 1 。一般的通用变频器都是 a c - d c - a c 结构，其中a c - d c 部分为不可控整流经二极管滤波，因此注入电网 的电流一般为尖峰电流，含有大量的高次谐波。软启动器( 交流调压调速装 置) 是利用晶闸管移相控制改变加在电动机定子上的电压，从而改变电动机 的转速，其注入电网的电流也不是正弦波，同样含有大量的高次谐波。 ( 6 ) 气体放电类电光源 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。 分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负 的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 ( 7 ) 家用电器 9 华北电力大学：l 程硕士专业学位论文 电视机、c d 机、计算机、调光灯具等，因具有调压整流装置，会产生较 深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电 流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是 谐波的主要来源之一。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章谐波对设备造成的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压 幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备 所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐 波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面n 卜1 3 3 ： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输 电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生 火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加 损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波 会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放 大，这使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表不 准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量； 重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 3 1 谐波对旋转电机的影响 非正弦电压加到电机上会引起过热。规程一般建议，只要谐波畸变不超 过5 ，电动机就不减小额定功率；如超过5 限值，电动机常常会有过热问题。 谐波电压或电流可以使定子绕组、转子回路以及定子和转子叠片中的损耗增 加。此外，由于涡流和集肤效应，定子和转子导线中的损耗也要比直流电阻 的损耗大。谐波电流在定子和转子绕组端部的漏磁场也要产生额外的损耗。 在斜槽转子感应电动机中，定子和转子内的磁场变化和高频磁场都要产生大 量的铁损耗。这个损耗的大小与槽的斜度和叠片的铁损特性有关。 谐波对平均转矩的影响很小，在大多数情况下可以忽略不计，但它们可 能引起明显的转矩脉动。 谐波造成感应电动机速度转矩特性的扰动会导致电动机“堵塞”。“堵 华北电力大学工程硕士专业学位论文 塞是指感应电动机由某一低频稳定的运行点升速到额定转速过程中发生故 障停转的现象。 交流变速装置供电的电动机中，存在谐波时，其杂散电容会引起容性电 流流过电动机的轴承，且经常是造成轴承故障的原因n 41。 3 2 谐波对静止电力设备的影晌 3 2 1 输电系统 谐波电流对输电网有两种主要影响。 一种是附加功率损耗，由电流波形有效值增加的部分产生，即 o o y ，2 r ( 3 1 ) _ 一= 2 ” 式中：i 。为n 次谐波电流；r 。为在此谐波频率下的系统电阻。集肤效应 和邻近效应是频率的函数，同时导致导线交流电阻的增加，从而增加了i2 r 损耗。 第二种影响是谐波电流在电路阻抗上产生的电压降。这种影响给“弱系 统 造成的电压骚扰要比“强系统严重。这是因为弱系统的阻抗很高但短 路容量小，而强系统的短路容量大但阻抗很低。 当用电缆传输时，谐波电压使介质的应力增加，介质应力与电压峰值成 比例。这种影响缩短了电缆的使用寿命，也增多了故障次数，从而增加了维 修费用。 谐波对电晕产生和熄灭水平的影响与电压的峰值有关。而电压的峰值取 决于谐波与基波的相位关系。因此有可能发生电压有效值远低于规定但电压 的峰值却超过规定值的情况。 3 2 2 变压器 电力系统谐波对变压器的主要影响是负荷电流的谐波损耗引起的附加发 热。谐波使变压器的铜耗增大，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，主要表 现在铁心中的磁滞损耗增加。另外变压器电感和系统电容之间可能产生谐振、 由于温度变化造成绕组和铁心叠片的绝缘机械应力以及铁心可能发生小振 12 华北电力大学工程硕士专业学位论文 动。此外，谐波还导致变压器噪声增大。 谐波电压可以使变压器铁心叠片的磁滞和涡流损耗增加，使绝缘材料的 应力增加。谐波引起的铁心损耗的增加取决于电源电压的谐波以及变压器铁 心的设计。 如果负荷电流中含有直流分量，它将使变压器的磁路饱和，从而造成变 压器励磁电流的谐波分量大大增加。 3 2 3 电容器组 为了补偿存在的无功功率、提高功率因数和系统的电压水平，变电站常 常装设并联电容器。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，使电容器功率损耗增加。电容器和电网间的串联 和并联谐振会引起过电压和很大的电流，这样会大大增加电容器损耗和过热， 常常会导致电容器损坏。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。在谐波 严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。因而在设计改善功率因数 的电容器以及电容器的其他应用场合( 例如单相感应电动机的补偿、变流器 瞬态阻尼) ，必须考虑一切可能的谐波。这些电容器应根据过电流限制标准来 确定其额定参数。 改善功率因数的电容器常常加一个小串联电感，约调谐到3 次或5 次谐 波频率，这样使电容器回路对于高于3 次( 或5 次) 谐波频率呈感性，从而 避免了并联谐振。 3 2 4 电力电缆 谐波会引起电缆的附加损耗，还可能使电压波形出现尖峰从而加速电缆 的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质的损耗增加和温度增高，缩短 电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。电 缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。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。 3 2 5 断路器 1 3 华北电力大学：工i 程硕七专业学位论文 由于谐波电流的影响，使电流过零点处的d i d t 可能比正常时大得多，从 而降低断路器的开断能力，延长了断路器电弧的熄灭时间，影响其开断容量。 3 3 谐波对电力系统保护的干扰 谐波能使保护继电器的动作特性畸变或降级。畸变或降级的程度与继电 器的设计特点和动作原理有关。当存在谐波畸变时，数字式继电器和依靠采 样数据或过零点编制的算法程序特别容易出错。在多数情况下，动作特性的 变换很小，不会发生问题。早期曾经做过实验h5 1 ，结果指出：当谐波电压含 量低于2 0 时，对于大多数类型的继电器没有显著影响。至今对多数所作的 研究得出的结论是，不做实验很难预测继电器性能；已发表的研究论文对机 电式和电子式继电器做了评估，但尚无数字继电器数据引。电流谐波畸变也 可能影响断路器和熔丝的开断能力。原因可能是过零时d i dt 较大，热磁开 关的电流传感能力变化以及由于线圈过热导致脱扣点降低。按发热动作的熔 丝，是反映有效值过电流的元件；熔丝导流带也对谐波频率的额外肌肤效应 很敏感。 在谐波和负序电压的共同作用下，电力系统中以负序过滤器为启动元件 的许多保护及自动装置会发生误动。有的保护闭锁装置因频繁误动不得不解 除运行。此外谐波和负序电压也造成主变压器及母线复合电压启动过流保护， 复合电压闭锁的启动元件误动。变电站的故障录波器会由于谐波电压的影响 而误动走纸，影响对实际故障电流、电压事故波形、突变量等重要数据的记 录。谐波也会干扰载波系统，引起通信设备、遥控、负荷控制和遥测设备的 运行异常。对于晶闸管换流设备的控制系统，容易造成触发角位移和电流、 电压变化率过高导致晶闸管故障。因此必须限制谐波水平，减少谐波对继电 保护及自动装置的影响，保障电网的安全运行。 3 3 1 故障情况的谐波问题 继电器的保护功能通常用基波电压和( 或) 电流表示。当故障波形含有 谐波时，或者用滤波器滤除掉，或者完全不考虑。 谐波频率对阻抗测量的影响更为重要。距离继电器通常是按输电线的基 波阻抗进行整定的。当发生故障时，谐波电流( 特别是3 次谐波) 将会造成 很大的测量误差。在故障电流通过电阻率很高的地方时( 即地阻抗为主) ，如 果不设法滤去谐波，只利用基波，则发生误动作的可能性非常大。 1 4 华，l 匕电力大学工程硕士专业学位论文 发生金属性故障时，基波分量是电流和电压的主要部分( 虽然故障波形 含有直流非对称分量) 。但由于电流互感器饱和，副边的感应电流将发生畸变。 如果原边波形的直流偏移很大，这种现象更为突出。 在稳定状态下，电流互感器的非线性励磁阻抗只能使副边的高电动势产 生奇数次谐波畸变。但在瞬态条件下，因为铁心饱和却可能产生任意次的谐 波，其中主要是2 次和3 次谐波分量n7 1 。如果结合系统需要，正确选择保护 装置，电流和电压互感器引起的许多困难都可以消除。 对于距离保护，特别是数字式保护系统中，滤除电流和电压波形中的谐 波是非常重要的。 3 3 2 非故障情况的谐波问题 保护设备对系统正常负荷的不敏感性，对于谐波同样适用。一般来说， 在非故障情况下，波形的谐波含量不会产生问题。 需要注意电力变压器在励磁过程中遇到的问题。在励磁期间，由于励磁 涌流有非常高的峰值，变压器保护装置将使高压断路器跳闸。励磁涌流的实 际峰值决定于变压器的漏电感和绕组电阻，并与合闸时刻电压的瞬时值有 关n8 1 。合闸前铁心中的残余磁通可能使涌流增加，也可能使涌流减小。具体 影响决定于磁通的极性与初始电压瞬时值的关系。目前广泛使用的是利用励 磁涌流中的非特征2 次谐波分量抑制保护继电器动作。采用这种方法时，如 果在励磁期间变压器内部发生故障，保护装置仍然可以照常动作，以保护变 压器。 3 4 谐波对测量仪器的干扰 测量仪表最初都是按纯正弦波交流电流刻度的，后来把它们用在畸变电 路上，所以很容易产生误差。谐波潮流的大小和方向是一个很重要的因素， 因为仪表误差的符号决定于谐波潮流的方向。 研究结果指出：谐波电流造成的误差与仪表类型有密切关系，并且可能 产生正误差，也可能产生负误差。测量电能常用感应式电能表。从本质上说， 仪表的设计是电磁设计，形成驱动磁通和制动磁通。这些磁通作用在铝盘上 产生转矩。为改善仪表精确度和补偿计数器摩擦带来的误差，表内还设有产 生二次磁通的补偿元件。这些产生磁通的元件，无论是产生一次转矩还是二 次转矩，对振幅和频率而言，都是非线性的。这些非线性元件包括：电压和 1 5 华北电力大学： 程硕士专业学位论文 电流元件，过载磁分路以及一些对频率敏感的元件，如铝盘、交轴回路和反 摩擦回路。对于超出设计参数的频率，仪表响应是比较差的，测量结果很不 准确。供给用户的，或由用户发出的任何直流功率都使测量产生误差。直流 功率以及谐波电压或电流单独不会产生转矩，但它们会降低仪表测量基波功 率的能力。直流电流可以使工作磁通畸变，并改变磁性元件的增量磁导率。 由于仪表的缺陷，仪表内总会产生一些寄生磁通，谐波电流产生的磁通与同 频率的寄生磁通互相作用有可能使仪表产生次级转矩。当用户的晶闸管变速 设备向电网输送谐波时，根据涡流电动机原理制成的常用电能表将给出较实 际高出几个百分点的读数，在功率因数也较低时，这种情况更为突出。采用 猝发开通原理的变流器负荷也能使电能表读数高出几个百分点。产生这种情 况，主要是因为空载时缺乏电流阻尼造成的。目前倾向于采用固态电路的仪 表，这种仪表不受波形影响而能测出真实的功率。现代有效值响应的电压表 和电流表对波形畸变影响有相当的耐受性。在这类表计中，输入电压和电流 利用某种类型电子扩程器做处理。只要谐波处在仪表频带之内且其波形的峰 值因数不过大，则所有这些均可使仪表对有效值响应不受谐波的大小或相位 影响。不过纯粹响应平均值或峰值的仪表，如按有效值刻度，在有谐波时是 不适用的。 3 5 谐波对通信系统的干扰 谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，干扰严重时会引 起信号的丢失。在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至危及人身和 设备的安全。电力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大，而不平衡电流， 特别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。在有多个中点接地 的电网中，如果有较大的零序分量谐波电流通过中线电流入大地，就会严重 干扰附近的通信系统。 电力网对通信系统干扰的大小是由以下三个因素综合决定的： ( 1 ) 电力线路谐波电压和谐波电流的大小； ( 2 ) 电力线路和通信线路之间的耦合强度； ( 3 ) 通信线路对谐波干扰的敏感程度。 1 6 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 4 1 谐波测量 第四章谐波抑制方法 准确的测量电网中的高次谐波，确切掌握系统中的实际情况，对于防止 谐波危害和保证系统安全运行是十分必要的。谐波测量的主要参数包括：单 次谐波电压、电流含有率；谐波电压、电流的总畸变率；谐波相位角、谐波 功率和谐波阻抗等。频率的测量范围是从基波到大约4 0 次左右的谐波，即 5 0 - 2 0 0 0 h z 。 4 1 1 几种不同的测量方法及其基本原理 ( 1 ) 模拟带通或带阻滤波器测量谐波 这种方法的原理是采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量，滤波 器的中心频率是固定的，为工频的