供电系统中的谐波及其抑制

1.概述在理想情况下，高质量的电源应该提供正弦波形的电压。然而，在实践中，由于某些原因，电源电压的波形会偏离正弦波形，即产生谐波。供电系统中的谐波是指频率为基频整数倍的正弦波分量(内工业也称高次谐波。在供电系统中，谐波产生的根本原因是向具有非线性阻抗特性的电气设备(也称为非线性负载)供电的结果。这些非线性负载在运行过程中向电源反馈高次谐波，导致电源系统中电压和电流波形失真，电能质量恶化。因此，谐波是电能质量的重要指标之一。谐波的危害表现为造成电气设备(电机、干式变压器、电容器等)的附加损耗和发热。):降低同步发电机额定输出功率、转矩、升高干式变压器温度、降低效率、加速绝缘老化、缩短使用寿命、甚至损坏：降低继电保护、控制和检测装置等的工作精度和可靠性。谐波注入电网后，无功功率会增加，功率因数会降低，甚至会引起并联或串联谐振，损坏电气设备，干扰通信线路的正常运行。供电系统中的谐波问题已经引起了社会各界的广泛关注。为了保证供电系统中的所有电气电子设备都能在电磁兼容的基础上正常和谐地工作，必须采取有效措施抑制和防止电网谐波危害造成的严重后果。第二，谐波的产生原因会产生在电力生产、输送、转换和使用的各个环节。在发电中，对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机提供的电压是基频的正弦波形。在其他环节，谐波主要来自以下具有非线性特性的电气设备：(1)不准备具有铁磁饱和特性的铁芯，如干式变压器、电抗器等；(2)以具有强非线性特性的电弧为工作介质的设备，如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。(3)基于电力电子元件的开关电源设备，如各种功率变换器设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速调压装置、大容量功率晶闸管可控开关设备等。广泛应用于化工、电气化铁路、冶金、矿山及各种家用电器等工矿企业。这些非线性电气设备(或称为非线性负载)的显著特点是它们从电网中获取非正弦电流，也就是说，即使电源向这些负载提供正弦电压，流经电网的电流也是非正弦的，因为它们只具有电流不随电压同步变化的非线性电压电流特性。该电流波形由基波和基波频率整数倍的谐波组成，即产生谐波，严重扭曲电网电压。非线性设备接入低压供电系统产生的谐波电流可分为稳定谐波和变化谐波。所谓稳定谐波电流是指这种谐波的幅值不随时间变化而产生的谐波，如视频显示设备、测试仪器等。这种设备给电网带来恒定的负荷。激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称为波动谐波。对于电网来说，这种设备是一种随时间变化的负载。随着电力电子器件的日益增多，这些器件产生的谐波幅度越来越大，是目前供电系统中的主要谐波源。三、谐波的危害在过去，由于与供电系统相连的非线性设备很小，系统中求助引起的谐波电流很小，所以对电能质量的影响很小。 #p#分页标题#e#

随着电子技术的发展，产品采用大功率半导体开关器件和各种开关电源，如电视机、空调、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉、信息技术设备等。迅速涌入家庭。虽然每个装置注入电网的谐波电流并不大，但这些装置数量多，分布广。有些家用电器，如电视机、空调等，在使用时具有集中性的特点，会使注入电网的谐波电流引起的谐波问题特别突出，不仅会使接入电网的设备无法正常工作，甚至出现故障，还会使供电系统零线承受的电流过载，影响供电系统的输电。因此，谐波问题一直受到有关各方的高度重视。供电系统中谐波的危害主要表现在以下几个方面。1.发电、输电、供电和用电设备的附加损耗增加，使设备过热，降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率是基频的整数倍，当高频电流流经导体时，导体对谐波电流的有效电阻由于趋肤效应而增大，从而增加了设备的功率损耗和电能损耗，导致导体发热严重。(1)对旋转电机的影响谐波对旋转电机的危害主要是产生附加损耗和转矩。随着频率的增加，趋肤效应、磁滞、涡流等。增加旋转电机铁芯和绕组的额外损耗。在供电系统中，用户的电机负荷约占总负荷的85%。因此，谐波对电动机总附加损耗的增加影响较大。由于电机的输出不能根据发热情况进行调节，因此通过将其能承受的谐波电压转换成等效的基波负序电压来考虑谐波对电机的发热效应。试验表明，在额定输出下，保持3倍额定电压的负序电压，电机的绝缘寿命将缩短一半。因此，际上一般建议在连续运行的阈值下，电机的负序电压不超过额定电压的2倍。谐波电流产生的谐波转矩对电机平均转矩影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能导致电机轴扭振的问题。该振荡力矩导致涡轮发电机转子元件的扭转振动和涡轮叶片的疲劳循环。(2)谐波电流对干式变压器的影响增加了干式变压器的铜耗，特别是三次谐波及其多次谐波会在其绕组中形成环流，使绕组过热。对于全星接干式变压器，当绕组中性点接地，且侧电网分布电容较大或安装中性点接地的并联电容器时，可能会形成三次谐波谐振，增加干式变压器的附加损耗。(3)对输电线路的影响由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的增加而增加。

在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，干式变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约为架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。(4)对电力电容器的影响 随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。2、影响继电保护和自动装置的工作和可靠性 谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。3、使测量和计量仪器的指示和计量不准确 由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。4、干扰通信系统的工作 电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。5、对用电设备的影响 谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。四、抑制供电系统谐波的一般对策 谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，而且还关系到广大电力用户扣电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题，一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策：1、贯彻执行有关谐波的家标准，加强谐波管理 我于1998年12月14日发布了家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》，等效采用IEC6100-3-2：1995，但在技术内容上与该际标准完全一致。GB17625.1规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备(每相输入电流≤16A)可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。这样就可以对低压电气及电子产品注入供电系统的总体谐波电流水平加以限制。 该标准对以下四类没备确定了谐波电流时发射限值：A类设备：平衡的三相设备以及除B、C和D类外的所有其它设备；B类设备：便携式电动工具；C类设备：包括调光装置的照明设备：D类设备：输入电流具有标准所定义的“特殊波形”，且其有功功率不大于600W的设备。 该标准还规定了试验电路和对试验电源的要求、对测量设备的要求和试验条件等内容。目前，全电磁兼容标委会正在组织有关专家对GB17625.1进行修订，使该标准更加适应市场的需求和操作更容易、简便。 此外，1993年颁发的家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，该标准考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。 认真贯彻执行有关家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电力质量。2、增加换流装置的相数 换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。3、增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力 在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-StaticVarCompensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOMStaticSynchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。4、加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置) 为了减少谐波对供电系统的影响，较根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，一是被动地防御，即在已产生谐波的情况下，采用传统的无源滤波方法(由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置)，减轻谐波对电气设备的危害。另一种方法是主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。 总之，一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，以做到真正意义上的电磁兼容。 五、结束语 解决供电系统中的谐波问题，必须要供电部门、电力用户和设备制造商三方面都以电磁兼容的思想为基本出发点。一方面，产生谐波的部门和单位要尽量限制谐波的发射水平；另一方面，供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波骚扰的能力。只有这样供、用、造三方面齐心协力才能搞好治理谐波这项系统工程的工作。#p#分页标题#e#

来源：中电力谐波监测及滤波工程技术网