谐波的危害及其抑制方法

所属栏目：电力论文发布日期：2011-02-14 18:24 热度：

　　【摘要】随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人们的日益重视。
　　随着我国电能质量治理工作的深入开展，基于瞬时无功功率理论的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。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。
　　【关键词】高次谐波，危害，抑制，变频器
　　
　　随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。
　　国际电工委员会（ＩＥＣ）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“ＩＥＥＥ电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（ＴＨＤ）应在５％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求ＴＨＤ应低于３％。
　　１电网谐波的产生
　　１．１电源本身谐波
　　由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。
　　１．２由非线性负载所致
　　1.2.1非线性负载
　　谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。
　　1.2.2主要非线性负载装置
　　（１）开关电源的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样；
　　这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。
　　（２）变压器空载合闸涌流产生谐波；
　　（３）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰；
　　（４）电压互感器铁磁谐振过电压；
　　（５）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流；
　　（６）电弧炉运行引起电压波动。
　　２谐波的危害
　　２．１污染公用电网
　　如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。
　　２．２影响变压器工作
　　谐波电流，特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热。
　　２．３影响继电保护的可靠性
　　如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。
　　２．４加速金属化膜电容器老化
　　在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。
　　２．５增加输电线路功耗
　　如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。
　　如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大１０～２０倍，而感抗仅为其１／３～１／２，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。
　　２．６增加旋转电机的损耗
　　国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。
　　２．７影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作
　　例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生３～１０ｋＨｚ高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。
　　３谐波抑制技术
　　３．１整机电源需留有较大贮备量
　　为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给予较大贮备量，一般选取０．５～１倍余量；
　　３．２对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电
　　因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入的，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电。
　　３．３将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开
　　将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开。因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。
　　３．４其余抑制高次谐波的技术
　　3.4.1开关电源干扰的抑制技术
　　一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。
　　采用电源滤波器。其中Ｃ１、Ｃ２具有抑制串模干扰，Ｌ１、Ｌ２可以抑制共模干扰，而Ｃ４、Ｃ３可以抑制串共模干扰。电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。
　　屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。
　　减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。
　　3.4.2变压器空载合闸涌流抑止方法
　　根据方程（１），如果合闸时，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合闸），则：
　　Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４）
　　没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。
　　3.4.3抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法
　　如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。
　　3.4.4抑制电压互感器铁磁谐振方法
　　其方法是要使它脱离谐振区。电压互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系统对地电容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ），在ｏａ区间，合成电流呈容性，合成电流随电压上升而增加，在ａｂ区间铁芯饱和导致ＸＬ电抗减少（电感电流非线性急剧增长），最后使合成电流仍为容性，合成电流随电压上升而减少，所以ａｂ区间是不稳定区间，在ｂ点合成电流为零，这时ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），发生并联谐振。采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。
　　3.4.5抑止整流和逆变产生的谐波
　　（１）在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的电容，（分别接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的１／１０，效果较明显；
　　（２）变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。
　　3.4.6抑止电弧炉运行时的干扰
　　（１）在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；
　　（２）可以重新安排供电系统。
　　４结束语
　　随着我国电能质量治理工作的深入开展，基于瞬时无功功率理论的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。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。但是要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，还必须依靠全社会的努力，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，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。。
　　谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。

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谐波的危害及其抑制方法

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