电力系统中谐波治理

摘 要：谐波问题电力系统中普遍存在,首先概述了谐波的概念、产生来源,分析谐波危害,最后从改造谐波源的角度提出了几种谐波抑制方法.

关 键 词：谐波,危害,治理

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30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.1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文.目前,谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害,因而了解谐波产生的机理,研究和清除供配电系统中的高次谐波,对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义.

1、谐波概念及其产生来源

1.1谐波概念

谐波是指频率为基波频率整数倍的一种正弦波.由于电网有非线性元件和非线性负载的存在,使得电网的电压或电流的波形不仅仅是频率为50Hz的正弦波（又称基波）,还含有与基波频率(50Hz)成整数倍和分数倍频率的其他正弦波.这些正弦波就称为电网的谐波.其中频率高于基波频率的谐波叫高次谐波.对谐波频率为基波频率的分数倍时,称为分数谐波或间谐波,电力系统中的谐波主要是高次谐波.

1.2产生来源

电力系统的谐波源主要有三大类.

（1)铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器等,其铁磁饱和特性呈现非线性.

（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、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用,并正在蓬勃发展,在系统内部,如直流输电中的整流阀和逆变阀等.

（3）电弧型:各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间,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.其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性.

2.电力系统中谐波的危害

2.1对供配电线路的危害

2.1.1影响线路的稳定运行

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护,使得在故障情况下保证线路与设备的安全.但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作,因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用.晶体管继电器虽然具有许多优点,但由于采用了整流取样电路,容易受谐波影响,产生误动或拒动.这样,谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行.

2.1.2影响电网的质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变.如民用配电系统中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中3次谐波的含量较多,可达40%；三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流.另外,相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,浪费电网的容量.

2.2对电力设备的危害

2.2.1对电力电容器的危害

当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加.对于膜纸复合介质电容器,虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍,对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化.尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象.另外,谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形,尖顶电压波易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命.一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩短1/2左右.再者,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸.

2.2.2对电力变压器的危害

谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加.谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大.同时由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量.除此之外,谐波还导致变压器噪声增大,变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的,随着谐波次数的增加,振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属声.

2.2.3对电动机的危害

谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热.尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力.另外电动机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动,发出很大的噪声.

2.2.4对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器,由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多.由此可知,上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作.

3.电力系统谐波治理

限于篇幅问题,本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法,基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下两种.

3.1增加整流变压器二次侧整流的相数

对于带有整流元件的设备,尽量增加整流的相数或脉动数,可以较好地消除低次特征谐波,该措施可减少谐波源产生的谐波含量,一般在工程设计中予以考虑.因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一,其在交流侧所产生的高次谐波为tK±1次谐波,即整流装置从6脉动谐波次数为n等于6K±1,如果增加到12脉动时,其谐波次数为n等于12K±1(其中K为正整数),这样就可以消除5、7等次谐波,因此增加整流的相数或脉动数,可有效地抑制低次谐波.不过,这种方法虽然在理论上可以实现,但是在实际应用中的投资过大,在技术上对消除谐波并不十分有效,该方法多用于大容量的整流装置负载.3.2尽量选用高功率因数的整流器

采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法,用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器.高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造,使其尽量不产生谐波,其电流和电压同相位的组合装置,这种整流器可以被称为单位功率因数变流器(UPFC).该方法只能在设备设计过程中加以注意,从而得到实践中的谐波抑制效果.

当然,除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法,还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法,它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置(SVC)等等,在此就不再详细论述.

4.总结

随着现代信息技术,计算机技术和电子技术的发展,电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视.应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能质量的监测与治理水平,同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络,及时分析和反映电网的电能质量水平,找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因,采取相应的措施,为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障.