（电气工程专业论文）南通电网谐波治理.pdf

上海大学工程硕士学位毕业论文 握发展的趋势。这两条是首先要采取的措施。制订并逐步完善谐波管理和治理 的规章制度；健全机构，明确职责，加强谐波管理；在城网建设和改造规划中， 谐波污染的治理应作为重要内容之一；制订南通电网谐波污染综合治理的规划， 进行治理的试点；继续开展谐波污染和治理的研究和开发工作。谐波的治理和 控制，是一个全面、系统性的问题。必须从全局出发，正本清源，标本兼治， 从健全法规以加强管理和采取技术措施两个方面着手，而加强管理更加重要。 关键词：南通、电网、谐波、治理 v l 上海大学工程硕上学位毕业论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ys i n c e7 0 7s ，d i v e r s i f i e dp o w e r e q u i p m e n t sh a v eb e e na p p l i e di np o w e rs y s t e m ，i n d u s t r y ，t r a f f i ca n dh o m e t h e p o ll u t i o na n dt h eh a mo fh a r m o n i ca r es o a r i n g a n dt h ea c c i d e n t si np o w e rs y s t e m a r ea l s ot a k e o f fb yh a r m o n i c t h e r e f o r e ， r e s t r a i n i n gh a r m o n i c sh a so b v i o u s p o w e r s a v i n gb e n e f i t s ，a n di th a sv e r ya c t i v em e a n i n g so ft h es t r a t a g e mo fi m p r o v i n g o u r c o u n t r yc o m p e t i t i o n p o w e r a n de x e c u t i n gc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n to fl o w c o n s u m p t i o n i ti sae f f e c t i r ew a yb yn s i n gp o w e rf i l t e re q u i p m e n tt oa b s o r bt h ec u r r e n t o fh a r m o n i c sb yt h es o u r c e t h el c ( p f ) w h i c hi sm a d eu po fp o w e rc a p a c i t a n c e ， i n d u c t a n c ea n dr e s i s t a n c ei sat r a d i t i o n a lw a yt or e s t r a i n th a r m o n i ca n dc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e r d u et ol c p fh a st h em e r i to fs i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，r e l i a b l e t e c h 。s t a b l ey u n ，e a s ym a i n t e n a n c e ，i th a sab r o a da p p li c a t i o n n o wj i a n g s un a n t o n gj i a n g s h a n gp e s t i c i d ea n dc h e m i s t r yl t di sb u i l d i n ga t h e r m o e l e c t r i ci t e mf o rc h e m i s t r y b e c a u s et h ee l e c t r i ce q u i p m e n t so ft h i s i t e m h a v et h eb u l k yr e c t i f i e r sw h i c ha r et h es o u r c eo fh a r m o n i c s ，s oi tw i l lp r o d u c e v a s tc u r r e n to fh i g h o r d e rh a r m o n i c 。c r e a t et h ep o l l u t i o no fh a r m o n i ct op o w e r n e t ， g e n e r a t ea d d i t i o n a ll o s sa n db r i n gh a r mt oa l lu s e r s e l e c t r i ce q u i p m e n t so ft h i s p o w e r - n e t i ti sat y p i c a ls o u r c eo fh a r m o n i c t h i st e x tw i l ld od e t a i la n a l y s i s o fj i a n g s h a n gc o m p a n y sh a r m o n i c sa n dg i v eas o l u t i o n t h ed e s i g na n da n a l y s e o ft h i ss o l u t i o ni sb a s e do nt h ec o n t a i n i n gr a t eo fd i v e r s i f i e dc u r r e n t sa n d v o l t a g e so fh a r m o n i ci n p o u r i n gi n t o1 1 0 k vp o w e r n e ta r em a t c h e dw i t ht h ea l l o w a b l e v a l u eo fs t a n d a r d “g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ”w h e nc o m m u t a t i n g - e q u i p m e n t sa r ew o r k i n go n e q u i v a l e n t2 4 一p h a s ea n dm a i n t e n a n c e1 8 一p h a s eo r1 6 p h a s e ，m a k i n gt h ep u b li c h a r m o n i c su n d e rt h el i m i t e dr a n g i n go fg o v e r n m e n ts t a n d a r d ，a n dg u a r a n t e e i n gp o w e r q u a l i t y t h ep o l l u t i o no fh a r m o n i cm a yn o tb ei g n o r e di nn a n t o n gp o w e r n e t t h eg r e a t m a s so fn a n t o n gp o w e r - n e ta n dt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n sh a v eb e e ng o t t e nd i f f e r e n t l e v e l sp o l l u t i o n ，a n di th a si n f i l t r a t e di n t oi o k v ，3 5 k v ，i i o k vn e t ，a n de s p e c i a l l y 1 0 k vn e t t h em a i nr e a s o ni sn o n 一1 i n e a ro rf a s tc h a n g i n gl o a d si nn a n t o n g p o w e r - n e t ，t h a ta r ec e n t r a l i z e da n db u l k yb u td i s p e r s i v e a n dd i s t r i b u t i n g e v e r y w h e r ea n db r i n gs i z e a b l ec u r r e n to fh a r m o n i c si n t op o w e r n e t t h et e x tg i v e s as o l u t i o no fd e a l i n g w i t h t h i s p o l l u t i o n ，t h a ti s ，f i r s te n h a n c i n g t h em a n a g e m e n t o fu s e r s ，p r o m p t i n gt h e mt of a t h e rt h eh a r m o n i ca n dl i m i t i n gt h ec u r r e n to fh a r m o n i c i nt h es a m et i m e ，c o n s t r u c t i n gt h ed e t e c t i o n n e to fh a r m o n i c s ，e n h a n c i n gt h e d e t e c t i o no fp o l l u t i o na n dg r a s p i n gt h et r e n do fd e v e l o p m e n t t h e s ea r ew h a tf i r s t w es h e u l dd o ； s e c o n d ，c o n s t i t u t i n ga n dg r a d u a l l yc o n s u m m a t i n gh a r m o n i c s m a n a g e m e n ta n dt h eb y l a wo ff a t h e r i n g ，i m p r o v i n go r g a n i z a t i o n ，m a k i n gc l e a r r e s p o n s i b i l i t ya n de n h a n c i n gm a n a g e m e n t i ts h o u l db et r e a t e da si m p o r t a n tc o n t e n t s v i j 上海大学工程硕士学位毕业论文 d u r i n gc i t yb u i i d i n ga n dr e b u i l d i n g ；f i n a l l y ，m a k i n gt h el a y o u to fn a n t o n g p o w e r - n e th a r m o n i cp o l l u t i o n s o l u t i o na n de x p e r i m e n t a lu n i t c o n t i n u i n gt o d e v e l o pr e s e a r c ho ft h er e l a t e dp o l l u t i o na n ds o l u t i o n t h ef a t h e r i n ga n dc o n t r o l o fh a r m o n i c si sag e n e r a la n ds y s t e m a t i cp r o b l e m 。w em u s th a v eaf u l 卜s c a l e f o r e s i g h tt or a d i c a l l y t r e a ti ta n dd oi tf r o m l a w s i m p r o v e m e n ta n d m a n a g e m e n t s e n h a n c e m e n tt ot e c h n o l o g i cm e a s u r e s a d o p t i o n ， b u tt h em o s t i m p o r t a n c ei st h ef o r e k e y w o r d s ：n a n t o n g ，p o w e r - n e t ，h a r m o n i c ，f a t h e r i n g v i i i 上海大学t 程硕士学位毕业论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：主薤亟鑫日期：狸! 竺： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：主歪磕导师签名：趱日期： 盘堑：! 立： n 上海大学工程硕士学位毕业论文 第一章绪论 在电力系统中，随着电力电子装置日益广泛地应用，各种谐波源产生的谐波 对电力系统造成的污染也日趋严重。同时，电力电子装置因功率因数很低，又对 电网造成了很大的负担。因此，确切掌握电网中谐波的实际状况，分析并制定相 应的治理措施，对维护电网的安全运行意义重大。 1 1电力滤波系统研究的目的和意义 1 1 1 电力系统的谐波污染问题 在传统的电力系统中，电网频率和各供电节点的电压幅值，是电能质量的两 个重要指标。无论在电网的规划、设计阶段，还是在电网的运行、调度中都受到 了足够的重视。而对电能质量中的谐波污染，人们并不太关心，这主要是由于在 传统的电力系统中，电压和电流基本上能够保持为正弦波形。 本世纪六十年代以来，随着固体组件的投入应用，微电子、计算机和电力电 子技术得到了迅猛的发展，它们被广泛应用到现代工业的各个领域，提高了各种 工业控制系统的性能，改善了工业产品的质量，既使劳动条件得以改善，又大规 模地提高了劳动生产率，从而为现代化的社会和家庭生活创造了广阔的前景。同 时也为更加合理和高效地利用电能、节约原材料和节约资金提供了有力的手段。 但是新技术的广泛应用，给现代电网带来了一个突出的新问题。用电负荷不 再仅仅是传统的负荷如电动机、电热器等，而且还包括大量的整流设备、电气化 铁道、变频调压设备、现代家用电器、开关电源、节能灯以及电弧炼钢炉等大量 非线性和快速时变的负荷。由于用户大容量整流装置及其他各种非线性负荷的接 入，使电压和电流波形发生畸变，电压波形不再是理想的正弦形，还出现了各次 谐波。并且电力网中运行变压器因铁芯饱和也会产生谐波。因此，供电网络中电 压和电流的波形发生了畸变，也就是除了5 0 赫的基波外，还包含了各次谐波。 当电力网络中的谐波成分超过了一定的限度，就会引起严重的危害。全世界 都把电力网络中谐波的存在称为电力网络的污染和公害。 早在本世纪七十年代，人们就发现现代工业和第三产业中的大量先进设备是 谐波等电能质量问题的“敏感负荷”，在许多场合下严重的谐波污染会影响高精尖 上海大学工程硕士学位毕业论文 产品的质量，甚至会极大地影响劳动生产率。因而，许多发达的工业化国家中的 工业和学术界以及国际电工组织从那时起就开始认识到电力网络中谐波的存在和 危害，二十多年来开展大量研究和开发工作，包括：制订电网及电气设备的谐波 标准及管理办法；对各种产生谐波污染的因素，即谐波源进行了研究：开展了谐 波污染对用电设备、电网、计量、通讯、继电保护、自动装置的影响的研究；研 究并规定了有关谐波的测量方法并开发了相应的测试仪器，积极开发了治理谐波 污染的措施和装置，提出绿色电气设备和电力网络的概念。随着研究和开发工作 的不断深入，抑制谐波污染已经成为现代电力系统电能质量的一个新内容，全面 治理谐波污染的工作正在日益得到重视。 为了规范各方面对电力系统谐波问题的管理，我国在1 9 8 4 年由原水利电力部 制定和颁发了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) ，又于1 9 9 3 年由国家技 术监督局正式颁布了电能质量：公用电网谐波的国家标准( g b w 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ， 1 9 9 8 年正式颁布了低压电气及电子设备产生的谐波电流的干扰限制 ( g b t 1 7 6 2 5 卜1 9 9 8 ) 的国家标准。很多地方也对谐波污染及其治理给予了越来越 多的重视，针对本地情况进行了谐波调查和研究，颁布限制谐波的地方标准。例 如北京市在九十年代初组织了北京电网的谐波污染状况调查，并于1 9 9 7 年1 2 月 由北京市技术监督局正式颁布了北京市工业整流设备谐波限制的地方标准 ( d b l i 0 7 8 1 9 9 7 ) 。顺应国民经济的需要，科研机构和高等学校对谐波污染及其治 理措旋也进行了许多工作。 1 1 2 抑制电力系统谐波研究的目的和意义 谐波及其抑制技术的研究是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、 理论电工等领域的重大课题。近几年来由于谐波问题己引起了多起民用建筑的火 灾事故，电力系统中由于谐波所引起的事故( 如引起谐振，造成电容器烧毁等) 也越来越多。因此，正像对待大气和水资源环境的污染问题一样，如果不对电网 环境的谐波污染问题及早进行必要的科研投入，必将在事态比较严重的时候处于 十分被动的地位。更何况抑制谐波本身具有十分明显的节能降耗效益，而且电力 电子装置谐波问题的解决也必将极大地促进电力电子这种高效使用能源的技术在 所有涉及电能的场合全面推广和普及。这对于提高我国产业竞争力、实现低消耗 可持续发展的战略具有非常积极的意义。谐波研究的意义更可以上升到治理环境 污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，其“绿色”的标 志主要就是“无谐波，【”。目前，国际上公认谐波“污染”是电网的一个比较严重 的公害，因此解决此问题是刻不容缓的。 2 上海大学工程硕士学位毕业论文 1 2 抑制电力系统谐波的发展历史、现状及趋势 1 2 1 抑制电力系统谐波的国外发展历史及研究现状 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有 效措施。由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的l c 无源滤波器( p f ) 是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器具有结构简单、投资成本 低、技术成熟、运行可靠及维护方便等优点，是目前采用得较为广泛的谐波和无 功抑制手段。 现在，谐波抑制的主要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 。 有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从治理对象中检测出谐波 电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而 使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补 偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视。 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成。八十年代以来，由于 大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调 | t j ( p w i v i ) 控制技术的进步，以及 基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以 迅速发展。 有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用的装置 中，9 0 以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看，又可分为并联型和串联 型，目前运行的装置几乎都是并联型。 1 2 2 抑制电力系统谐波的国内研究状况 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞吕等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作 2 4 1 。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压 直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作 2 5 1 。此外，唐统一 等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在 国内有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到 1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章 2 6 ，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验 2 7 】， 上海大学工程硕士学位毕业论文 国内的研究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在逐渐增 加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，以理论研究和 实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定 的研究，以瞬时功率理论为基础提出了0 1 a 谐波检测算法 2 8 ，同时还对基于 d s p 芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究 2 9 。 清华大学的朱东起等和浙江大学的钱照明等都做了一些很有意义的研究 3 0 3 1 j 。近年来，我国学者提出了基于优化特定消谐p w m 技术的广义有源滤波 器 3 2 3 3 ，通过改变逆变器输出波形的频谱分析，使其接近于正弦波，从而达 到消谐的目的。从原理上看，广义有源滤波器是一种新型非跟踪型有源滤波器， 其控制系统比较简单，是一种构思新颖的有源滤波器。 目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距， 这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工 作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具 有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 1 3 本课题的研究内容 通过阅读大量的国内外资料，对电力滤波系统的理论进行研究、分析：对无 源电力滤波系统的理论、设计进行研究并以南通江山农化有限公司为例进行滤波 方案设计；对南通电网谐波问题进行了深入调查、研究、分析，并提出管理设想。 本文内容如下： 第一章绪论。 第二章电力系统谐波分析。 第三章南通电网典型谐波源案例分析。 第四章谐波治理与滤波器设计。 第五章南通电网谐波污染现状的调查和分析。 第六章展望。 4 上海大学工程硕士学位毕业论文 第二章电力系统谐波分析 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经 奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系 统的谐波问题早在2 0 世纪二、三十年代就引起了人们的注意。当时在德国，由 于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。到了五、六十年代，由 于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论 文。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业、交通及家庭中的应用同益广泛，谐波所造成的危害也同趋严重。世界 各国都对谐波问题予以充分的关注。 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制 定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。在国际上，各个国际组织， 如国际电气电子工程师协会( i e e e ) ，国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议 ( c i g r e ) 也纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和c 5 5 5 2 。我国原水利电力部于1 9 8 4 年制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐 波管理暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年发布了国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3 9 电 能质量公用电网谐波。 2 1 谐波的概念 国际公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍”。 这是将一个周期电气量按傅立叶级数展开而获得的。说明谐波频率和该周 期频率之比为正整数，如我国电力系统的额定频率为5 0 h z ，即基波频率的额定 值为5 0 h z ，二次谐波的频率为l o o h z ，三次谐波的为1 5 0 h z 等。同时，根据傅 立叶级数的基本理论，该周期量必须是周期性重复的。 此外，实际电力系统中常存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量，这 些分量频率与基波频率之比，有些是分数，如1 2 ，1 3 等，则称之为次谐波 ( s u b h a r m o n i c ) 或分数次谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c ) ，有些则介于两个整数之间如 2 5 ，3 6 二等，则称之为间谐波( i n t e r h a r m o n i c ) 。它们的情况与谐波不尽相 上海大学工程硕士学位毕业论文 同，在本论文中不予讨论。 2 2 谐波的产生 自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，人们就己经知道电力系统中的 谐波问题。电力系统稳态方式下的谐波，都来自各自谐波源。“谐波源”，通常是 指各类特定的用电设备，即非线性用电设备，同时也包括变压器和各类铁心电抗 器。所谓非线性设备就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流 下产生非正弦电压的设备， 它是最主要的谐波源，并且可以划分为下列几类。 1 电力电子装置。电力电子装罱近年来发展迅猛，是最严重的谐波源。它 有多相和单相之分：从功能上看，有整流、逆变、交流调压和变频之分。 大型的有达百万千瓦级的h y d c 装置和大型铝厂的整流装置，小型的有 电动机节能器、家用充电器和家用调光灯等。影响面较大的有用于工频 交流电力机车的单相换流装置、用于电解铝厂的变流装置、用于大型电 动机的变频装置等。 2 电弧炉。通常所谓的电弧炉是指交流电弧炉，用于钢铁冶炼。大型电弧 炉的发展方向是采用更经济有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电 弧炉是由整流器馈电，故应列入电力电子装置。铁合金矿石炉、电石炉和 电弧炉虽都采用石墨电极来注入熔化电流，但用电特性有很大差别。 3 家用电器。例如日光灯、电视机、调速风扇、空调、电冰箱等。 4 高新技术应用的多种设备。例如电子计算机、敏感电子器件、激光切割 设备、卫星传送器、核磁共振设备、节能灯( 例如高压钠灯和其他气体放电 灯1 等。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非 线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能量，并将其中一部分工频能 转换为各次谐波能量向系统回送的过程。由此可见，高次谐波是电力系统的一种 “污染”，据国外的经验，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发 电设备容量的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。 6 上海大学工程硕士学位毕业论文 2 3 谐波的危害 国内外大量事例说明，电网中存在谐波对用户和电网的影响和危害是多方面 的，严重时会造成电网事故和设备损坏。 2 3 1 谐波对并联电容器组的影响十分显著 为改善用户的功率因数、电力系统的无功电流分布和电压质量，用户和公用 变电站经常装设可以投切的并联电容器组。由于电容器对高次谐波呈现低阻抗， 所以高次谐波电压的存在会在电容器内产生大电流；电容器的容性阻抗以及电网 本身存在的分布电容和系统的感性阻抗，在一定条件下会对某些谐波产生谐振， 可能是并联谐振( 一般发生在公共接点上) ，也可能是串联谐振( 一般发生在非线性 负荷侧) ，造成异常的过电压和过电流：另外，畸变的电压会使电容器产生额外的 功率损耗，引起严重的发热。同时也可能形成局部放电，导致电容器损坏，危及 其它电气设备甚至造成系统事故。据统计一大约7 0 谐波引发的事故发生在电容 器组上或是由其诱发自勺。 2 3 2 谐波对输电线路、特别是对电力电缆线路造成的危害 当谐波电流通过架空线路时，一方面会产生附加损耗，另一方面会产生谐波 电压降，这对于阻抗较大的“弱”系统会造成较大的电压扰动。当谐波电压波峰 值与基波电压波峰值迭加时，可能会使线路的电晕问题变得十分突出。 对于电缆线路，由于电缆的分布电容对谐波电流有较大作用，在电网负荷处 于低谷的情况下，谐波电压升高，使电缆的介损增加，甚至导致局部放电。电缆 的额定电压等级越高，谐波引起的危害也越大，电缆故障的机率就越高。 2 3 3 谐波对电机造成的危害 谐波的存在，使旋转电机的铁耗和铜耗增加，设备温度升高，过热，绝缘加 速老化，寿命缩短，高次谐波还会引起机械共振并产生异常的噪声。 谐波对交流电机的危害主要表现在谐波损耗和谐波转矩两个方面。特别是谐 波损耗对交流电机影响很大，会造成整个电机的温升和局部过热现象( 多半发生在 转子上) 。分析表明：尽管谐波对交流电机产生的平均转矩影响甚小，可以忽略不 计，但它们可能产生明显的转矩脉动，从而导致电机的转轴扭曲和振动。 上海大学工程硕士学位毕业论文 谐波对直流电机的危害主要如下： 1 ) 换向元件的变压器电势增加，使换向恶化，电刷磨损加剧。 2 ) 交流分量在绕组中产生附加损耗，在主极表面产生空载脉振损耗，使电机 温升增加，出力降低。 3 ) 磁通的高频脉振产生电磁噪音。 4 ) 产生与谐波交流分量成正比的轴电势和轴电流。 国内外研究经验表明：当电压的三、五或七次谐波分量达1 0 2 0 时，可 以导致电动机在短时期内损坏。 2 3 4 谐波对电力变压器造成的危害 谐波电压会增加变压器的磁滞和涡流损耗，并加重绝缘负担；谐波电流通过 变压器时，使铜耗增加，这种危害尤其对换流变压器更为严重；频次为三的倍数 的零序电流会在变压器的三角形绕组中形成环流，增加损耗，引起绕组过载和发 热。 当直流电流、低频电流和地电流流入变压器绕组时，将使变压器产生严重的 磁饱和现象，导致激励电流及其中的谐波电流增加，以致威胁设备本身和电网的 安全运行。 对于全星形接线的变压器，可能构成接近于三次谐波的谐振条件，造成变压 器的附加损耗和发热都显著增加，严重影响变压器运行的可靠性。 2 3 5 谐波将导致某些保护和自动装置误动或拒动 继电保护和自动装置通常都是按照工频正弦交流量的大小或相位变化来动 作的，波形畸变往往不能正确反映甚至是歪曲了被保护回路的真实工作状况，从 而造成误动或拒动。 电网中以负序滤过器为起动元件，或含有对频率和波形敏感的元件的保护和 自动装置很多。国内生产的j 卜1 1 ，j j 1 1 a ，j j 1 2 ，j j 一1 2 c 型等晶体管距离 保护：p j h 1 1 d ，p j h 一1 l b ，p j h 一1 l p ，l h z i ，l h 一1 1 型等整流型距离保 护都有因谐波和负序干扰而误动的记录，有的保护因频繁动作而不得不退出运行， 主变压器及母线复合电压起动的过流保护、发电机负序电流保护等也有因谐波影 响而造成误动或拒动。 上海大学工程硕上学位毕业论文 2 3 6 谐波对电能计量的影响 由于电网中谐波功率对非线性用户而言，它与基波功率方向相反：p ；p ， 而对线性用户来浇，谐波功率和基波功率方向相同p l p 示，其中p t 为基波功率， p ；为电表计量读数。线性用户不仅从电网中取得基波功率，同时也从谐波源获得 有害的谐波功率，既危害自身的用电设备，还必须多交电费，而谐波源用户，既 污染了电网，同时还少付电费，这显然是不合理的，也是不公平的，为维护计量 的公正和准确，必须认真研究谐波对电能计量的影响。 2 3 7 谐波对电网中其它电气设备的影响 ( 1 ) 消弧线圈是按照所接局部电网的工频参数而设计和工作的。当电网中谐波 含量较大时，故障处全电流过零点的时刻发生变化，会延迟或阻碍消弧线圈的灭 弧作用。 ( 2 ) 线路中较大的高次谐波电流( 数十安或更大) ，能够显著地延缓潜供电弧的 熄灭，导致单相重合闸失败或不能采用较短的无电周期，对电力系统的稳定运行 十分不利。 ( 3 ) 谐波的存在将会造成开关电器的遮断能力降低。严重时，某些开关的磁吹 线圈不能正常工作。特别在出现局部谐振时，由于发生很大的谐频涌波电压，将 使开关在遮断过程中产生电弧重燃现象，结果因无法灭弧而导致开关爆炸等事故。 ( 4 ) 大容量电力变压器的涌磁过程，能够持续数秒钟或更长时间，有时可能引 起谐波过电压，使有关避雷器因放电时间过长而损坏。同时也使保护有关设备的 避雷器的参数选择变得十分困难。 5 ) 电压互感器往往由于谐波而损坏，其中部分事例已证明与电网中的谐波有 关。谐振的原因是由于电压互感器铁芯的特性和电网电容间的配合，在某次谐波 下发生并联谐振。 ( 6 ) 谐波对用电设备的危害 1 ) 当电网中含有谐波和分数谐波时，会造成电视机图象畸变和翻滚，并引起 机内变压器、电抗器和电容器过热。谐波同时也影响电源电压的峰值，这可能导 致电视机的画面和亮度发生变化。 2 ) 日光灯、节能灯和水银灯，有时装有电容器，它们与镇流器以及供电线路 的电感组合有一个自然振荡频率。若电网中存在同频或接近的谐波时，可能引起 9 上海大学工程硕士学位毕业论文 过热，造成故障。 3 ) 谐波的存在会影响远动系统中广泛使用的变送器，导致遥测、遥调等的精 度降低，从而影响电力系统的自动化设备的正常工作。 4 ) 计算机是成千上万门电路的逻辑组合。当其中一个门电路由于直流电源中 的谐波而误翻转时，就会导致计算程序出错或计算错误。另外，谐波对计算机模 拟量的输入回路也有较大的影响。 5 ) 电网中的电压畸变，会导致换流装置常规控制的燃弧触发脉冲间隔不规则， 并通过正反馈使畸变电压被放大，造成交、直流系统的电压和电流都产生严重畸 变，并含有各种奇次和偶次谐波，使整流器工作不稳定，甚至使逆变器连续换相 失败而无法正常工作。此外，谐波还可能导致换流装置中的可控硅整流器或晶体 管器件受到损坏，这是因为谐波将使它们受到数值很大的d i d t ，d u d t 或过热效 应。 6 ) 谐波对晶闸管控制的变速装置主要有以下三方面的危害 电压陷波可能导致晶闸管错误触发而误动作： 谐波电压可能使控制回路不在要求的瞬间作用； 不同装置间的谐振可能造成过电压及振荡。当前谐波问题的严重性， 主要在于对谐波污染造成的危害认识不足甚至缺乏认识。有些由谐波引发的设备 损坏和电网事故，弗未被充分认识而归结为其它原因。有许多产生谐波的设备未 经谐波测试，也不采取任何抑制措施就投入运行，对设备和电网都十分不利。 2 4 结论 有关研究结果表明：即使各级电网谐波电压都控制在电能质量公电网谐波 ( g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 的允许值上，由于谐波引起的附加电能损耗及电气设备绝缘寿 命的缩短所造成的年等值损失电量约占电网年用电量的0 7 。若对电网谐波不 加控制和治理，任其超标，则由谐波引起的电能损耗将造成巨大的经济损失。 应当指出，电网谐波污染和环境污染一样，其造成的危害具有潜伏性，不易 立即被感知，需要一定的时间积累。而一旦问题暴露出来，往往损失较为严重。 同时，谐波的严重污染不是一家而是多个谐波源累加造成的，这给谐波污染的治 理带来了困难。对谐波污染的治理既需要正本清源，从治理谐波源着手，又需要 用持续和发展的眼光及系统观点，进行全面规划和综合治理，并加强日常管理， 才能见到显著效益。 1 0 上海大学工程硕士学位毕业论文 第三章南通电网典型谐波源案例分析 南通市位于长江下游北岸，滨江临海，是长江三角洲的一部分，素称江海平 原，是国家批准的首批十四个沿海开放城市之一。 南通电网谐波污染已经相对严重。不仅危及用电设备和电网的安全，而且使 得电网的损耗增加，电能质量下降，给用户和供电部门造成很大的经济损失。为 确保南通电网的安全运行和健康发展，避免因谐波而引发电网事故和重大设备损 坏，保证优质高效地供电，重视并治理谐波污染已经成为南通电网进一步发展中 必须认真对待的重要问题之一。 现以江苏南通江山农药化工股份有限公司为典型案例，对南通电网进行谐波 源分析。 3 1 供电系统和主要用电设备概况 江苏南通江山农药化工股份有限公司j f 在南通开发区港口工业三区建设化 工和配套的热电项目( 新厂) 。因该项目的用电设备中有大容量整流器等谐波源， 将会产生大量高次谐波电流，给供电电网造成谐波污染、产生附加损耗，并给该 电网所有用户的用电设备造成危害，务必进行谐波治理，以达到国标和满足国家 电力公司规范要求。因此在该项目建设的同时必须对谐波的状况进行详细分析以 便对治理方案提供依据，做到在项目投产时，谐波治理系统同时投入运行，以消 除或减少所产生的谐波，使公用电网谐波达到国家标准允许值范围内，保证电能 质量。 该公司( 新厂) 由2 2 0 k v 沿江变电所和1 1 0 k v 两侧输出，回同杆架设的架空 线供电，架空线长度4 1 0 0 m ，规格为l g j 一1 8 5 ，进厂区由长4 4 0 m 、s = 4 0 0 电缆 进入新厂内1 1 0 k v 变电所，沿江变电所主变容量为1 2 0 m w ，短路阻抗为o 1 5 3 7 、 0 1 1 8 2 。新厂内1 1 0 k v 变电所一期主变为1 l o k v 3 5 k v 、容量2 5 0 0 0 k v a 一台。 3 5 k v 上有热电分厂2 5 0 0 0 k v a 升压变一台，目前发电设备装机容量为 1 8 0 0 0 k v a ，6 3 0 0 k v a 启动变一台，离子膜烧碱分厂整流变1 4 5 0 0 k v a 两台，每 台整流变压器带两台整流柜及电解槽，和8 8 0 0 k v a 动力负荷，以及少量变频负 荷。 上海大学工程硕士学位毕业论文 整流变压器型号：z h s t - 1 4 5 0 0 3 5 三相 5 0 h z 整流变接线方式：y 亿( + 7 5 。2 2 5 。) d 5 一d l l y 亿( 7 5 。+ 2 2 5 。) d 5 d 1 1 单机组1 2 相、双机组2 4 相 整流方式：三相桥，同相逆并联 额定直流输出功率：4 1 5 v 2 8 k a 。 3 2 谐波源状况分析 江苏南通江山农药化工股份有限公司提供的系统供电电路图如图3 1 ，根据 厂内主变数据、整流变数据、四台整流器的工作情况、热电分厂的发电设备容量 以及动力负荷的概况及当前新厂的设备等情况进行分析可知，厂内的整流装置是 主要谐波源，系统正常运行时，四台整流器全部同时投入工作，为满负荷工作的 正常状态。 2 2 0 k v 电网 1zl 23 4 热电厂整流动力 谐波治理系统 电力滤波装置 图3 - 1 供电一次系统简图 1 系统接线原理 由于系统整流装置的功率很大，对电网的干扰很严重，为了减轻整流装置对 电网的影响，系统采用1 2 相整流电路。 为了得到十二相电源，需要两组六相的电源，且两组电源间的相位差是3 0 0 ， 众所周知，在三相电源的星形和三角形联结时，线电压超前相应的相电压3 0 0 ， 2 上海大学工程硕士学位毕业论文 基于这个原理，借助三相三绕组变压器，一次侧可接成三角形或者星形，二次侧 之一接成星形，另一个接成三角形。为了使两组整流桥的输出电压相等，要求两 组交流电源的线电压相等，因此三角形联结的变压器二次绕组线电压应等于星形 联结的绕组相电压的j 倍。 本系统是用两组三相桥串联组成十二相脉动单元电路，如图3 - 2 所示： 图3 - 2 系统接线原理图 2 三相桥式全控整流电路的工作原理 由于系统实质上就是两个三相桥式全控整流电路经过变压器的y y 和y 一 转换而变换3 0 0 ，从而实现1 2 相整流电路。 下面，就以一个三相桥式全控整流电路的工作原理来说明系统的工作原理。 三相桥式全控整流电路实为三相半波共阴极组与共阳极组的串联，且控制角 完全相同，因此整流输出电压就是三相半波整流电路的两倍，在感性负载时： u d - - 2 地，7 ：c o s a , , 2 3 4 删8 。等u u c o s a , , 1 3 5 uc o s 稼 ( 3 一1 ) 式中u 2 ：为变压器二次绕组的线电压有效值。 上海大学工程硕士学位毕业论文 为了更具体地掌握它，较详细地分析一下其物理过程是必要的。 习惯上希望三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是v t l 一v t 2 v t 3 v t 4 一 v t 5 一v t 6 ，因此晶闸管是这样编号的l 和v t 4 接u 相，v t 3 和v t 6 接v 相， v t 2 和v t 5 接w 相。如图3 3 所示 图3 - 3 三相桥式全控整流 砧f 从三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出： 1 ) 三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成 导 电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个是共阳极组的。 2 ) 关于触发脉冲的相位，共阴极组的1 、v t 3 和v t 5 之间应互差1 2 0 0 ；共 阳 极2 、v t 4 和v t 6 之间亦互差1 2 0 0 。接在同一相的两管，v t l 与v t 4 ，v t 3 与v t 6 ，v t 2 1 与v t 5 之间则互差1 8 0 0 0 3 ) 三相桥输出的是变压器二次线电压的整流电压。同时，三相全控桥的整 流 电压在一个周期内脉动6 次，脉动频率为6x5 0 = 3 0 0 h zo 3 整流电路谐波产生过程 本系统模型实质上就是一个十二相脉动单元电路，要研究此电路谐波产生过 4 上海大学工程硕士学位毕业论文 程，我们先讨论对于一个任意的m 相整流电路谐波产生的过程。 为简化讨论，还作以下合理的假设： 1 ) 交流电网是对称的i n 相正弦波电压，且容量足够大； 2 ) 直流回路内，电感足够大，因而整流电流i d 完全平滑、恒定不变； 3 ) 各相控制角一致； 4 ) 换流重