2019年谐波的危害1

1、高次谐波电流通过变压器， 可使变压器的铁心损耗明显增加， 从而使变压器过热， 缩短使用 寿命。 高次谐波电流通过交流电动机， 不仅会使电动机铁心损耗明显增加， 而且还将会使电 动机转子发生振动， 严重影响机械加工的产品质量。 高次谐波对电容器的影响更为突出， 含 有高次谐波的电压加在电容器两端时， 由于电容器对高次谐波的阻抗很小， 电容器极易因过 负荷而烧坏。 此外， 高次谐波电流可使电力线路的能耗增加， 使计算电费的感应式电度表的 计量不准确； 还可能使电力系统发生电压谐振， 在线路上引起过电压攀升， 有可能击穿线路 设备的绝缘。 高次谐波的存在， 还可能使系统的继电保护和自动装置误动或拒动

2、， 并可对附 近的通信设备和线路产生信号干扰。因此，国家标准-./0+&#%#1213电能质量公用电网谐波规定了公用电 网中谐波电压限值和谐波电流允许值，若超过规定值就必须加以改进。谐波研究的意义 道德是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低， 使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故 障或烧毁。 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振， 使谐波含量放大， 造 成电容器等设备烧毁。 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 使电能计量出 现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。2 谐波的危害2.1 对发电机

3、、电动机的影响谐波会在电机的定子绕组、转子回路以及铁芯中产生附加损耗,这些附加损耗要比其本身的直流电阻所引起的损耗大 ,电机会产生过热现象 ,并使电机效率降低。谐波电流还会增加 电机的噪声 ,产生脉冲转矩引起谐波振动。2.2 对电力电容器的影响电力电容器对谐波较为敏感 ,电容器的容抗与频率成反比 ,故在高次谐波电压作用下的容 抗要比在基波电压作用下的容抗小得多 ,从而使谐波电流的波形畸变的作用远大于使谐波电 压波形畸变的作用。在发生谐波的情况下 ,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流 ,注入并 联电容器后产生谐波损耗 ,在被放大的情况下 ,产生过电压导致局部放电 ,使电容器产生噪声、 发热、击

4、穿和鼓肚等危害。2.3 对变压器的影响高频谐波注入变压器 ,将产生集肤效应和邻近效应 ,增加附加的铜耗和铁耗 ,使之发热 ,功 率损耗随着谐波成分增加 ,而且变压器的运行噪声与振动都将加大 ,若谐波电压过高 ,会击穿 匝间绕组。2.4 对输电线路的影响 谐波电流在传输线路中产生附加损耗 ,使网损增加 ,加速电缆绝缘老化 ,影响使用寿命。 低 次谐波过大 ,易造成输电线路局部过热。 对于 330kV 以上供电系统 ,过高的谐波电流能显著延 长短路时潜供电流的熄灭 ,导致重合闸失败。谐波源和电力系统中的某些电感、电容元件构 成串联或并联回路 ,可能产生串联或并联谐波 ,其形成的谐振环流将大大超过谐

5、波源注入的谐 波电流 ,造成严重危害。2.5 对变流器换相的影响 谐波含量增大 ,影响整流器或逆变器换相 ,甚至造成逆变失败。2.6 对计算机和通讯的影响 谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传导 3 种途径影响通讯 ,特别是载频低的信号 受影响更大。变流器在换相期间注入的脉冲电压所包含的谐波频率较高,可高达 1MHz 以上 ,它所引起的电磁干扰 ,对通信线路、通信设备会产生很大影响。2.7 对电力系统的影响 谐波造成电能损失 ;谐波使电力仪表读数精度降低 ,有时甚至完全失去意义 ; 谐波致使电 力系统继电保护误动作或拒动。谐波对电力系统的危害谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐

6、波电流 ! 谐波电压增加 ,其危害波及全网 ,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害"现将对具体设备的危害分析如下 :(1) 交流发电机 "同步电动机及感应电动机在定子绕组和转子绕组产生附加热损耗,热损耗除谐波电流铜损 I2nR 以外 ,还由于电流的集肤效应 ,产生附加损耗 ,对转子引起热损耗增大 "对大 型汽轮发电机来说 ,若发生多次谐波振荡 ,谐波电流超过额定电流的 25%时 ,由于上述原因可 能会导致转子局部过热而损坏 " 对变压器来说 ,铁芯产生热损耗 ,尤其是涡流损耗大 ,在变压器 绕组中有谐波电流 ,在铁芯中感应磁通 ,产生铁损 "

7、(2) 架空线路谐波电流产生热损 ,较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭,导致单相重合闸失败 "电缆中的谐波电流会产生热损使电缆介损!温升增大 "(3) 电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗, 加快电力电容器绝缘老化 " 系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流,对电气设备绝缘损坏 ,引起噪音与振动 "(4) 电子计算机会由于谐波干扰发生失真;工业电子设备功能会因其被破坏 "(5) 对继电保护 ! 自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作,造成电能计量的误差 "(6) 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损

8、外,还将对相邻通讯线路产生干扰影响"标准正弦波电源供电的变频电机在机电能量转换过程中产生的损耗一般可以分为下列 四类。1.1 定子和转子的铜耗这是定子和转子电流在绕组中产生的电阻损耗。1. 2 基本铁耗这是由主磁场在铁心内发生变化时产生的，包括交变磁化、旋转磁化引起的磁滞损耗和涡流损耗。1.3机械损耗它包括通风损耗(由转子旋转引起的转子表面与冷却气体之间的摩擦损耗以及安装在电 机转轴上的或由电机本身转轴驱动的风扇所需的功率)、轴承摩擦损耗等。1.4杂散损耗(1) 空载时铁心中杂散损耗，主要是指定子和转子开槽而引起的气隙磁导谐波磁场在对方 铁心表面产生的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通

9、因电机旋转而变化所产生的脉振损耗。(2) 负载时铁心中杂散损耗，这是由于定子和转子的工作电流所产生的漏磁场在定、转 子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗。以上是标准正弦波电源供电时变频电机内部产生的损耗，当采用变频器供电时，变频电机内部除了基波产生的上述损耗外，高次谐波还会在电机内产生以下附加损耗(a) 高次谐波带来的定子和转子附加铜损耗；(b) 高次谐波带来的定子附加铁耗；(c) 高次谐波使主磁场发生畸变导致转子轴向窜动而产生的附加机械损耗；(d) 高次谐波带来的附加杂散损耗；(e) 三相异步电动机在高频下运行时，集肤效应使转子电阻增加导致转差铜耗显著增加。非正弦波电源供电时，除了高次谐波

10、引起的附加损耗外，变频电机在高频下运行时集 肤效应变得不容忽视，下面从电机试验上探讨高次谐波和集肤效应对变频电机发热的影响。4. 1高次谐波对变频电机发热的影响变频电机采用变频器电源时，电压和电流波形均为非正弦波此时除基波外还存在一系 列高次谐波电压和电流，高次谐波电压和电流会使电机产生附加损耗卜从而引起电机发热增 加。从3.1试验结果来看，试验电机铁耗、机械耗较采角工频电源时分别增加了2230W1760W;从3.2试验结果来看，试验电机定子铜耗、转子铜耗较采用工频电源时分别增加了 629W . 1 i89W。铁耗、机械耗铜耗以及杂散耗的增加直接导致了变频电机温升的增加， 从本次试验来看受高次

11、谐波的影响，该电机SOHz时温升增加了 6K04. 2集肤效应对变频电机发热的影响在电机槽中放置整块导体组成的线棒，当导体中通以交流电时，由于导体沿槽高上截面各部分的漏磁通匝链数不相同，因此感应电势也不一样。由此在导体内部形成涡流，使得电流在导体截面上的分布不均匀，导体中的电流密度由槽底逐渐向槽口增加，使导体中的电流趋向表面，这种现象就是所谓的集肤效应。这种效应相当于导体的有效截面减小了、因此导体的交流电阻要比直流电组为大。导体中形成的涡流将产生附加涡流损耗，导致电机效率降低、温升增加。从 3.3.1试验结果和图2可以看出，试验电机运行频率在50Hz以上时，转子电阻显著增加(集肤效应明显)，因

12、此引起转子发热增加。从3.3.2试验结果和图4可以看出，'讥耶厂' t &，集肤效应使得F (频率)上升， 电阻R2上升，X2下降，而试验电机在不同运行频率下保持输出功率不变，即保持(1-S)R2/S不变，从而使得I2上升，导致11上升。肤效应使得H频率)t -* X疔I 1 ,而试验电机在不同运行频率下保持输出功率不变，即 保持(1 一不变，从而使得/ t - A T o图4异步电动机的T型等效电路样。由此在导体内部形成涡流，使得电流在导体截面上的分布不均勻，导体中的电流密度由槽底 逐渐向槽口增加，使导体中的电流着向表面，这 种现象就是所雷的集肤效应。这种效应相当于导

13、体的有效截面减小了；因此导体的交流电阻要比直流电组为大。导体中形成的涡流将产主陀加涡 流损耗，导致电机效率降低、温廿増加。从3.3.1 试验结果和图2可以看出，试验电机运行频率在50Hz以上时，转子电阻显著增加(集肤效应明显), 因此引起转子发热增加。从332试验结果和图4可以看岀，尸(频率)t-XIo f - Q I - 7m 1 .集5解决办法(1) 可以釆用短距绕组、分布绕组、斜槽等办 法改善高次谐波对电机发热的影响C(2) 为了减小集肤效应对电机发热的影响,中型电机常釆用绕组编制换位、圈式线圈端部扭 转换位等办法，鼠笼式电机可以采用适当的转子 槽形等措施。'硅整流装置是一个主要

14、的谐波源 ，下面较详细 分析我厂电力系统10kV母!母的谐波情况，见图1" 我厂的10kV母!母,由两台110/10kV,容量分别为 45000kVA和50000kVA的主变供电,母!母下面接有11组整流机组和第二配电所，如 图1所示"整流变压器中一次接线方式交替为v形和Y形"二次接线均为双反星形接线，即接线方式为 Y(v)/Y"整流机组的接线为三相桥式整流，具体接线如图2 所示"由图2可以看出，该整流装置直流侧的 脉波数n=6"图2 整流机组三相桥式整流原理图下面分析该整流装 置的谐波情况”设直流侧的整流平均电流为Id，交流侧以A相

15、为例，设整流变中A相电流为ia，那么，就很容易得 到图3所示的ia波形"可见，ia的波形是一个幅值 为Id，宽为2P/3的矩形波”这种波形的电流对 10kV系统的影响，可利用数学知识进行分析，将此 波 形 展 开 为傅 氏 级 数 时 会 有如 下 特点为例，设整流变中A相电流为ia,那么。就很容易得 到图3所示的匸波形.可见,匸的波形是一个幅值 为4宽为2W3的矩形波.这种波形的电流对 1()2系统的影响”可利用数学知识进仃分析将此 波形展开为傅氏级数时会有如下特点：图3订波形将正半波和负半波平移 p后,正负半波将对称于横轴既有f(Xt)=-f(Xt?P)成立，因此该波形的傅氏级数

16、展开式中不会含有直流分量及偶次分量谐波”从图3的波形看：它是一个关于坐标原点对称的奇函数，因此，在傅氏级数展开式中将只有正弦分量，而没有常数项及余弦项”在三相电流平衡且对称的情况下 ，硅元件的导通角均为2P/3,因而交流侧的电流中没有 3及其 倍数次谐波分量”依据上述特点，则可得出ia的傅氏级数展开式为：ia= 2/ n x ld( Sint- 1/ SSinSt- 1/ 7Sinu»l +1/ I lSinwt+ 1/ 13Sinwi+ 1/uSinwt)(1)由式即可得出：在铝电解系统10kV母线上存在有:5次!7次!11次!13次,，高次谐波，这些谐波分量中，幅值最大，影响较严

17、重的是5次和7次谐波”1.2谐波对并联补偿电容器的影响与危害 由前面的图 1 可见 :二配的并联补偿电容器和整流机组都接于10kV!母上"因而，存在于10kV! 母中的高次谐波必然对电容器产生影响"我厂第二配电所有两组补偿电容器 211 和 214回路，容量分别为7200kvar和4950kvar,其原先的接线方式如图 4 所示 "在图 4 所示的运行方式中 ，运行中的电容器组 经常出现过热 ，胀肚 ，熔断器熔断和电容器响声异常 等现象 ，严重时使大面积电容器损坏，无法正常运行"电容器为什么会出现上述现象呢?我们以正216和 211回路为例 ，通过简单计

18、算这个 L-C 电路 来分析说明 :正 216 的限流电抗器 L 与 211 的补偿电容器 C 组成了一个 L-C 串联电路 "lOkV图4第二配电所补偿电容器21丨和214回路正216电抗器L的技术数据为： 型号:NKL- 1000/10 额定电压：U产10kV 额定电流:Ie= 1000A 额定电抗:Uk二10%211电容器组的技术数据为：容量:Q<= 7200kvar额定电压:Ue= 10.5kV 接线方式：形对正216电抗器L,有卜式成立:2nfL-1.= 10% Uc/3中：L电抗器每相电感暈.由式(2娼出:L = 10%Ue/(2JifLI3)=10% x 10x

19、1000/( 2 x ji x 50 x 1000 x 3)=1.84mH那么.lE 216电抗器的皋波电抗为：XL= 2nfL=2x n x 50 x 1.84 x 0. 001=0. 58Q则5次谐波电抗为：Xl<sf 5*Xl=5 x 0. 58=2. 9Q7次谐波电抗为：溶X叶7*Xl浪=7 x 0. 58=4. 06。对于211电容器组”由有卜式成立：Qc= 3* U J Xca注沁心是电容器每相皐波容抗(形接线时).Qe是电容器组的总容虽。则：X.A= 3UC/QC=3x (10.5 x 10)/(7200 冥 10)=45. 9。山于电容器组是形接线用 Y变换公式， 2.

20、变成Y形接线时的等效基波容抗Xc为：Xr= ( 1/3)纭氏二(1/3) x 45.9= I5.3QI 冬对于5次谐波：Xz沪(1 / 5) Xt = ( 1/5) x 15.3= 3.O6Q对于7次谐波：Xcm= ( 1/7) X产(1/7) x 15. 3二 2. I9Q由上面的计算可以看出：5次谐波时的感抗XL和容抗Xc非常接近，即XLUXc,极易造成两者在5次谐波时发生的串联谐振，这就是211电 容器组发生过热，胀肚的原因”下面的图5,图6分 别是该回路等效的接线原理图和 XL!Xc的曲线,X=f(f)是一条直线;Xc=f(f)是一条双曲线”从图中可以更清楚地看出，两者在5次谐波处的值

21、很接近"通过对正217和214所组成的串联L-C电路 进线分析计算也可得出同样的结论，这里就不再重 复了"2高次谐波的抑制和消除措施通过以上的分析计算可以知道 影响二配电容器女全运行的因素是IOkV系统中的5次、7次谐 波.我厂从以下两个方而采取措施.图6 XL ,XC曲线2.1谐波滤波器谐波滤波器可以直接安装在IOkV母线上，如 图7所示。它的作用原理是：由电容C和电感L共同组成一个串联谐振的谐波次数为: ng= X/xiIOkVJU母IV毋图7谐波滤波器由于电感线圈有多组抽头 ,通过适当的抽头 ,就 可改变ng的值使得ng正好等于你要消除的某次谐 波,若要消除的是5次谐

22、波，使ng=Xc/XL=5即可 但该滤波器存在如下缺点 : 该单调滤波器只能在一个谐波频率下发生 谐振 ,也就是说一个滤波器只能消除一个频率下的 谐波 "若要消除的谐波较多 ,则投资较大 " 由于电感线圈的抽头有限 ,加之电容器 C 的 电容值会随着温度的介质老化等原因发生变化,因而很难把滤波器的谐振点完全调谐到某次谐波频率 上,即不能发生完全谐振 ,影响滤波效果 "2.2 在补偿电容器回路串接电抗器 电容器回路中串接限流电抗器这个感性元件 作用就在于抑制侵入电容器回路的谐波电源,同时 2.2 在补偿电容器回路串接电抗器电容器回路中串接限流电抗器这个感性元件作用就

23、在于抑制侵入电容器回路的谐波电源,同时使电容器避开在某次谐波上与系统感抗发生谐振的 可能性 "电容器回路中加电抗器后,由于 XcWf, 使回路中对高次谐波的阻抗成倍增加,谐波频率越高 ,电抗器的抑制作用也就越大 ,从而有效地抑制谐波 电流对电容器的危害 ,若电抗器的电感选择得当,使得电容顺回路在电网最低次谐波作用下,回路的总电阻为感抗而不是容抗 ,那么 ,也就保证了在电网任 何次谐波作用下 ,回路阻抗总表现为感性而非容性 , 从而就能从根本上消除补偿电容器与系统感抗在谐 波下产生谐振的可能性 "此时 ,电抗器的基波感抗 值可按下式确定 :当前，高次谐波的干扰已成为电力系统中

24、影响电能 质量的一大“公害” 。高次谐波电流通过变压器，可使变压器的铁心损耗 明显增加，从而使变压器过热，缩短使用寿命。高次谐波 电流通过交流电动机，不仅会使电动机铁心损耗明显增 加，而且还将会使电动机转子发生振动，严重影响机械加 工的产品质量。高次谐波对电容器的影响更为突出，含有 高次谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对高次 谐波的阻抗很小，电容器极易因过负荷而烧坏。此外，高 次谐波电流可使电力线路的能耗增加，使计算电费的感 应式电度表的计量不准确；还可能使电力系统发生电压 谐振，在线路上引起过电压攀升，有可能击穿线路设备的 绝缘。高次谐波的存在，还可能使系统的继电保护和自动 装置误动或

25、拒动，并可对附近的通信设备和线路产生信 号干扰。因此，国家标准-./0+&#%#1213电能质量公用电网 谐波规定了公用电网中谐波电压限值和谐波电流允许 值，若超过规定值就必须加以改进。2谐波对电力系统的危害谐波对电力系统的河染日益严葩谐波源的注 入便电网谐波电流、i皆波电压埒加，K危害波般全 网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害现 将对具体设备的危害分析如卜】f 0交流发电机.同步电动机及兽应电动机在 定子绕组和转子绕组产生附期热损怨热损耗除谐 波电流铜损f沖以外.圧由1：电流的处狀效应.产 生附加损耗,对转子引起热损耗增大.对大型汽轮 发电机来说若发佗等次谐波振荡谐波电流超过

26、额 定电流的25% W,由于上述Ki因可能会#诚4$局2谐波对电力系统的危害谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流！谐波电压增加，其危害波及全 网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害"现将对具体设备的危害分析如下：(1) 交流发电机"同步电动机及感应电动机在 定子绕组和转子绕组产生附加热损耗，热损耗除谐 波电流铜损l2nR以外还由于电流的集肤效应，产 生附加损耗，对转子引起热损耗增大”对大型汽轮 发电机来说，若发生多次谐波振荡，谐波电流超过额 定电流的25%时，由于上述原因可能会导致转子局祁过热而损坏"对变爪器来说.铁芯产生热损耗,尤 其是涡

27、流损耗大,祀变压器绕组屮有谐波电流在铁 苦中感应魅通，产生挟损.2架咗线蹄谐波电流产卞热播，较大的髙次 皤波电流分&能必若地延缓潜供迅流的熄灭，导致 单相重合闸失电缆中的谐波电流会产生热损. 便电缆介擾、温升増大.(3) 电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘 介质损K.加快电力电容褂绝缘老化 系统谐波电 底或电流发生谐振则引起过电爪和过电流，对电气 设备绝塚损坏.引起嗓咅与振动.(4) 电尹计算机会由于谐波干扰笈生失真;工 业电子设备功能金因其被破坏.(5) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生 T扰和造成谢动作，造成电能il量的保差.(6) 谐波电流住高压架住线路上的流动除增加 线损外”还将对和邻通讯线路产空1扰影响”部过热而损坏”对变压器来说，铁芯产生热损耗，尤 其是涡流损耗大，在变压器绕组中有谐波电流，在铁 芯中感应磁通，产生铁损”(2) 架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败”电缆中的谐波电流会产生热损 使电缆介损！温升增大”(3) 电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化 ”系统谐波电 压或电流发生谐振则引起过电压和过电流，对电气设备绝缘损坏，引起噪音与振动”(4) 电子计算机会由于谐波干扰发生失真；工 业电子设备功能会因其被破坏 ”(5) 对继