进一步加深对电网谐波的认识

所属栏目:电子技术论文 发布日期:2012-10-16 09:16 热度:

  摘要:供电可靠和电能质量直接影响到各行各业的经济效益,谐波引起电网电压畸变,恶化电能质量、影响设备运行,需引起注意和加强管理。
  关键词:谐波源种类;谐波危害;电网谐波的限制措施
  0引言
  电力是国家的基础工业,供电可靠和电能质量直接影响到各行各业的经济效益和产品质量。随中国加入WTO后,外来投资设厂不断增多,不仅电力需求不断增大,同时要求电能质量相应提高,逐渐趋向国际标准。
  因现代工业企业广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等非线性电力负荷,以及电力电子技术如晶闸管整流和换流技术广泛应用和家用电器(电视机、电冰箱、洗衣机、空调机、电子节能灯)等单相非线性电力负荷大量增加。这些非线性负荷产生非正弦电流,引起电网电压畸变,“污染”电网,通称为谐波源。电网谐波对各种电气设备,对继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系统有不利的影响。由于谐波的作用引起的经济损失主要是恶化了电能质量指标,降低了电网的可靠性,增加了电网损失,缩短了电气设备的寿命,在有些情况下还使产品的质量降低,数量减少。在工业发达国家对此开展了大量研究和重视。我国在1993年颁布GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》。目前我国不少电网的谐波含量已大大超过了标准值,并出现不少问题。
  本文从谐波源种类、谐波危害、谐波谐振放大及谐波抑制和管理进行论述。
  1谐波源种类
  一切非线性的设备和负荷都是谐波源。主要分三大类:
  1、铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器等,其铁磁饱和特性呈非线性。空载电流i0为了供给铁芯磁滞损失产生的激磁电流,造成其波形左右扭曲。该谐波源特点:1)、仅含奇次谐波,以3、5、7次为主。2)、谐波电流大小与铁芯材料的磁饱和特性有关,磁通密度高,可以节省铁芯原材料,但使谐波增大。3)、谐波电流大小与设计时选择的工作点即工作磁通密度有关。4)、谐波电流大小与设备运行时的系统电压有关。系统运行电压越高,运行点越深入饱和区,波形畸变越大,谐波含量急剧上升。夜间系统负荷减少,电压升高,其谐波则增大。5)、谐波电流大小与绕组连接及铁芯结构有关。一般变压器主要产生5、7次谐波,仅当绕组为Y0接线时,才存在零线使3及3倍次谐波电流流入系统。而三柱三相变压器还因铁芯三相磁路不平衡,中柱磁路比边柱短,使三相绕组空载激励电流不同,不论绕组接线如何,线电流存在一定量3及3倍次谐波。
  2、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,在化工、冶金、矿山、电气铁道等及家用电器中广泛使用,并加速发展。其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。一般还包括整流变压器的漏抗和直流回路中设置的电抗器。注入系统的特征谐波电流仅在完全的或不完全的奇次谐波。脉冲数较多的换流设备产生的谐波电流较小。其谐波电流一般采用估计,如12脉动换流设备的谐波(5、7、17、19…次)是6脉动换流设备计算水平的15%~25%;而6脉动、12脉动换流设备3及3倍数次非特征谐波为基波电流的1%左右。
  3、电弧型:各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊接期间,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。电弧炉在熔炼前0.5~1h为熔化期,其特征是在电极和固态原料这间形成极不稳定的电弧,电弧电流不规则的波动,且三相电流大而不平衡,呈冲击性,向固态原料提供大量的能量使其熔化。由于交流电流过零后的起燃及形成的伏•安特性为高度非线性的电弧,使电流波形产生不规则的畸变,随熔炼过程的进行,各相、各时刻的电流波形大小各不相同,为变化大、具很大随机性的谐波电流源。其谐波主要为2、3、4、5、7次的三相不平衡谐波电流源,还有基波负序电流注入系统。此外,三相电流的剧烈波动会造成母线电压波动和闪变。
  就电力系统三相供电来说,在三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者如电气铁道、电磁炉及单相家电。家电功率小而数量多,可以汇集成为较大的谐波电流馈入电网,使电网的谐波水平升高。
  因系统施加于负荷的电压基本不变,谐波源负荷通过向电力系统取得一定的电流作功,该电流不因系统外界条件和运行方式而改变,而谐波源固有的非线性伏•安特性决定了电流波形的畸变,使其产生的谐波电流与基波电流具有一定的比例,因此非线性负荷一般都为谐波电流源,向系统注入一定的谐波电流。由于谐波电流源内阻抗远大于系统的谐波阻抗,故谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待。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谐波危害
  1、对旋转电机的主要危害是引起附加损耗和发热。1)、在定子绕组的损耗,因绕组电阻Rh因电流的集肤效应而大于基波电阻R1。绕组电阻Rh=R1;单相h次谐波电流产生的附加损耗:△Ph=R1=(HRIh)2R1=△P1HRIh)2。异步电机主要附加损耗为定子绕组铜损耗,国内曾发生谐波多起异步电机定子绕组过热烧毁事故。2)、转子铁芯感生谐波涡流,引起转子铁芯附加损耗和发热,也影响到转子绝缘强度。当谐波负荷三相不对称产生基波负序电流注入发电机时,在谐波电流和基波负序电流的共同影响下,会使中、小型发电机的转子受损。
  此外谐波还会引起旋转电机的振动并发出噪声,长时间的振动会使金属疲劳和机械损坏。
  2、变压器和线路的影响及谐波网损:
  谐波总损耗:=
  系统变压器和线路的损耗构成了电网损耗的主要部分。谐波使网损增大,在发生系统谐振或谐波放大的情况下,谐波网损可达到相当大的程度。谐波电流除引起变压器绕组附加损耗外、也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热,并在可能局部过热。此外,谐波还能引起变压器的振动,使噪声增大。(短时段内发出较高的嗡叫声。)
  3谐波谐振、放大及其危害
  3.1谐波谐振及放大
  ①、串联谐振:系统中某些电感、电容对于谐波源形成串联回路时,便可能发生串联谐振。即当对于谐波源串联回路的某一个频率阻抗为0,,=谐波源产生的同一次谐波时,便激发串联。此时回路的hr次谐波电流很大,在变压器T和电容器C上形成很高的hr次谐波电压,过电压对两者造成危害。对于实际系统中一般均为谐波电流源来说,该低阻抗回路使系统中各邻近的谐波源均要向其注入谐波电流,使电流增大,电压升高。
  ②、并联谐振:系统中某些电感、电容对于谐波源形成并联回路时,便可能发生并联谐振。即变压器T及系统的感抗与补偿电容器的容抗对谐波源的并联回路,当某一频率fr使并联支路的感抗与容坑相等时回路的频率阻坑趋向无限大:,对于实际系统中的谐波电流源来说,由于,即使有少量的同次谐波电流注入,回路电压Uhr将无限升高,电容、电感电流无限增大,其形成的谐振环流将大大超过谐波源注入的电流,相当于外加谐波恒压源的串联谐振。谐波过电流和过电压均给有关设备造成危害。比串联谐振更具危害性。
  ③、谐波放大:谐波源注入的谐波,其频率在网络谐振附近的谐振区内,激励电感、电容产生的部分谐振。而谐波频率等于网络谐振点频率时的完全谐振(串联谐振、并联谐振)是谐波放大的极端状态。
  3.2对电容补偿装置的危害
  电容器的抗谐能力十分脆弱,当谐波注入后,特别在谐振或谐振放大时,会造成过电流、过电压、过负荷、过热、异响、外壳鼓肚及击穿,导致电容器或串联电抗器的损坏。谐波峰值过电压可能导致长期局部放电,造成介质击穿、电容器损坏。对于串联电抗器,峰值电压会影响匝间绝缘。谐波峰值电压不仅取决于谐波电压含量,还取决于各次谐波对于基波的相位,可能出现的最大峰值电压是基波和各次谐波有效值算术和的倍。所以必要时考核峰值过电压的大小。
  此外,不少电容补偿装置的过电流保护因谐波过电流而动作,把电容器装置切除,无法投入运行。对于电网,影响调压和无功补偿,降低运行的电压质量和经济性;对于用户,降低功率因数,由力率受奖变为力率受罚,遭受经济损失。
  3.3输电线路的谐波放大及系统谐振
  输电线路存在分布的线路电感和对地电容。110kV及以上的架空线路,对地电容的影响已不容忽略。随着线路电压等级升高,采用分裂导线增多,使线路单位长度的感抗减少,而线路单位长度的对地电容增大,增大高压输电线路在低次谐波产生谐波谐振及放大的可能性。当引起系统谐振其后果十分严重,谐波电压升高、谐波电流增大,引起继电保护误动、造成设备损坏及电网损耗增大等。
  3.4谐波对电力电缆的危害
  电力电缆的对地电容比架空线路大得多,约为10~20倍左右,而感抗较架空线的小,约为1/2~1/3左右。故电缆的谐波谐振和放大产生于较架空线低的谐波次数,而谐波源产生的低次谐波含量又较大,更易激励较大的谐振和放大,引起绝缘介质的谐波过电压而造成击穿。
  3.5谐波波对继电保护和自动装置的干扰
  谐波在负序(基波)量的基础上产生的干扰,如对各种以负序滤过器为启动元件的保护及自动装置的干扰。由于保护按负序(基波)量整定值小、灵敏度高,再加上如电气铁道、电弧炉等谐波源,又是负序源,在负序基础上叠加的谐波干扰,对保护和自动装置的影响十分严重。实际运行中已引起下列保护和自动装置的频繁误动。①发电机的负序电流保护误动。②变电站主变的复合电压启动过电流保护装置的负序电压启动元件误动。③母线差动保护的负序电压闭锁元件误动。④线路各型距离保护的负序启动振荡闭锁装置误动。闭锁距离Ⅰ、Ⅱ段,线路发生故障时只能靠距离Ⅲ段切除。同时振荡闭锁中原定工作条件动作次数极少的继电器,会因频繁动作造成弹性疲劳、接触不良或触点粘连等,而构成跳闸条件,引起保护误动,造成系统解列、用户停电事故。⑤线路相差高频保护误动。谐波干扰使其负序启动误动,造成高频比相失误,引起220kV线路跳闸。⑥故障录波器误动,使记录纸短时内走尽,一旦系统真正故障时无法进行记录。
  4电网谐波的限制措施及管理
  限制电压正弦波形的畸变均采用电压总谐波畸变率THDu(%)和各次谐波电压含有率HRUh(%)两个指标。各级电网的限值均由低电压电网经中压电网到高压电网逐级减小。国家电压总谐波畸变率允许值如下:
  电网标称电压(kV) 电压总谐波畸变率THDu(%) 各次谐波电压含有率HRUh(%)
    奇次 偶次
  0.38 5 4 2
  6 4 3.2 1.6
  10   
  35 3 2.4 1.2
  66   
  110 2 1.6 0.8
  为保证电能质量,系统向用户的供电电压负有波形合格的责任,而非线性用户在使用系统电能时,负有限制谐波电流注入系统、不使系统的供电电压质量过分降低的责任。供电系统与非线性用户就谐波标准协调,以较为合理的分配方法,保证系统的电能质量和可靠供电,从总体上达到相对合理的、供用电双方均较有利的运行状态。绝大多数的用电设备都由低压电网供电,保证低压电网的供电电能质量,使众多的用电设备免受谐波干扰是制订谐波标准的主要任务。同时低压电网含有大量小容量的谐波源,因此低压电网的谐波电压允许值是谐波标准的基础限值。中、高压各级电网的谐波电压限值,首先应保证低压电网的谐波电压不超过允许值,同时应保证本级电网及其设备如继电保护、电容补偿等的安全可靠运行。确定低压电网谐波畸变率主要根据:1)、大量的低压异步电动机运行时的允许发热。2)、确保低压电容器安全可靠运行。3)、满足电子计算机和各种精密电子设备正常可靠的工作条件。4)、继电保护及远动装置正常可靠工作。5)、对通信不致产生干扰。0.38kV:THDu=5%,既可存在一定水平的谐波源干扰,又使设备受其干扰的概率很小,从而取得两者之间的协调。这就确定设备的抗谐波干扰水平必须在谐波限值以上,否则将造成设备本身损坏。
  一般在谐波源处采取措施最为有效,根据谐波国家标准规定,限制谐波注入电网的谐波电流,把谐波电压抑制在允许范围之内,以确保电能质量和系统安全、经济运行。
  1、 增加换流装置的脉动数,一般是将两组6脉动改为12脉动整流器的消除谐波方法在技术、经济上都十分有效。脉动数增加过多,投资大,对消除谐波不十分有效。
  2、 在谐波源处装设交流滤波器,用以吸收谐波电流。其分为:单调谐滤波器、双调滤波器和高通滤波器。单调谐滤波器用于吸收单一次或相邻的谐波;双调滤波器用于吸收某一次及以上各次谐波。对于大容量的谐波源,次数较低,含量较大的几次谐波,如3、5、7次,对每次谐波各装一个单调谐滤波器,次数较高的谐波,则装一全高通滤波器将其全部滤除。
  滤波器应满足两个基本要求:1)、要使谐波源注入系统的谐波减少到标准允许范围。2)、对滤波器进行基波无功补偿。
  滤波器设计和运行应注意是否存在并联谐振和串联谐振,避免在低次谐波存在谐振点。
  3、 在谐波源处装设在源电力滤波器补偿谐波电流。
  4、 在一些特殊情况下采用特殊措施:1)、当本级电网容纳不下谐波源负荷,可考虑由上一级电网供电。2)、避免电容器对谐波放大。当谐波源处及其谐波影响范围内有并联电容补偿引起谐波放大时,会导致系统和电容器谐波升高,可采串联电抗器把电容器和系统间的谐振放大区移离谐波源产生的谐波频率,避开谐波放大。
  5结论
  必须加强谐波管理意识、分健全谐波管理制度。
  1)、建立和健全谐波源的技术档案。
  2)、新建或增容的谐波源在申请用电时,应根据谐波源和系统公用电网参数,进行谐波预测计算,对于超出标准允许值的用户,需采取限制谐波的措施,并与用电设备同时投运。
  3)、设定监测点和日常监测。
  4)、要对电网进行定期谐波普查。
  
  参考文献:
  [1]吕润馀编著《电力系统高次谐波》北京.中国电力出版社.1998
  [2]国家技术监督局.电能质量《公用电网谐波(GB/T14549-93)》.北京:标准出版社,1993
  [3]谐波国家标准起草工作组.电能质量《公用电网谐波(国家标准)的编制》.中国电力.1993
  [4]能源部谐波国家标准制订工作组.谐波国家标准送审稿编制说明和附件.1991
  [5]吕润馀.继电保护和自动装置的谐波允许值.中国电机工程学会电力系统高次谐波专业委员会第二次谐波学术会议论文集.1992
  [6]吕润馀.并联电容补偿对谐波的放大及其抑制.山西电力技术.1988

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