电力系统谐波与抑制措施

【摘 要】随着科技的发展,非线性负荷得到广泛应用,电力系统中的谐波含量大幅增加,危及了电网的安全运行,同时电气设备的突发性故障大幅增加,给企业、用户造成难以估量的损失,因此对电力系统谐波的分析与解决方案的提出变得尤为重要.

【关 键 词】非线性负荷；电力系统；谐波抑制

1引言

随着现代科技的迅猛发展,电能质量问题已经成为目前电网必须面对的一个关键问题.一方面不断增多的谐波污染源在电网中存在,并且传递叠加甚至放大影响,同时其范围不仅仅局限于某些地区；另一方面,低压用电客户使用的某些新式电器对谐波含量极其敏感,从而导致由供电谐波引发的居民用电异常事件.

2电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波主要源自两个方面.首先是自身携带的谐波,其次是电网用户非线性设备注入的谐波.

2.1自身携带的谐波包括

1）发供电系统中,由于受到铁心齿槽和工艺的影响,导致交流发电机内部的定子和转子间的气隙呈不均匀分布.虽然每相电势的波形对称,但是有一定数量的奇次谐波必然有存在于三相电势中.

2）输配电系统中,奇次谐波成分存在于变压器的励磁电流中.因此电网主要的稳定性谐波源是在变压器过励磁或空载时产生的谐波.

3）电网的突发性谐波源是当电网中投切电容器或空载变压器时,其产生的合闸涌流注入电网而形成的.

2.2用户非线性设备产生的谐波

供电系统随着现代工业的发展,产生了大量的非线性负载.在这些非线性用电设备中,从大容量高电压的工业交直流变换装置到小容量低电压的家用电器,都已经是产生谐波的重要原因.

3谐波的危害

当谐波注入电力系统时,将会造成电网的电气运行环境严重恶化,并且危害电力系统的安全稳定运行,同时,还会威胁到电网电气设备和用户用电设备的安全.

首先,谐波的产生与输送对整个电网来说,将会在电网中增大网损,降低传输电能的效率；谐波电流在线路中导致畸变压降,降低了电网的电压质量；电源电压的工作效能由于新型非线性负载的间断性用电方式而降低；交流电能传输中的电气环境由于谐波电流而恶化,易引发系统崩溃.

其次,由于电气设备是按照工频正弦电流工作方式设计的,对电网中的电气设备而言,其最佳工作状态往往会被谐波电流所影响.例如：谐波电流有可能导致继电保护装置的工作紊乱；谐波电流会对电磁设备的绕组及铁芯增加损耗,引起额外发热,降低电磁设备的使用寿命；谐波电流可能会降低断路器和熔断器等设备的开断能力；谐波电流还会引起电力测量的误差,影响了功率处理器互感器的测量精度.

对电力用户而言,谐波会导致日光灯的整流器及补偿用电容器过热；谐波会损坏影响显示器的画面质量,影响清晰度；谐波会引起其他用户的功率开关器件故障或误动作；同时,谐波会对计算机通信系统等产生干扰.

此外,工业生产中的许多精密仪器,随着工控技术的发展,其复杂的控制系统对电能质量的要求也不断提高,谐波电流有可能会使工业生产过程产生巨大的经济损失.

4抑制谐波的措施

4.1在谐波源处采取措施吸收谐波

对已有的谐波进行有效的抑制是这类方法的主要目标.截至目前为止,这是电网中被使用最为广泛的抑制谐波方式.无源滤波装置和有源滤波装置是使用最为常见的滤波装置,下面就这几种谐波抑制方式的特点以及应用前景进行分析.

4.1.1无源谐波滤除装置

将电容器与电抗器串联起来,组成LC串联回路,然后并联于电网中,即可构成无源滤波装置.目前,市场上采取较多的就是这种滤波方法,虽然滤波效果较差,但是成本较低,用户易于接受.将LC串联回路的谐振频率设定得与需要滤除的谐波频率一致,以实现滤除特定次谐波的目的.但是如果谐振频率设定得不好,则会与电力系统产生谐振.

4.1.2有源谐波滤除装置

基于无源滤波装置的发展形成了有源谐波滤除装置,主要由电力电子元器件组成其电路,可以产生一种与电力系统的谐波频率、幅值均相同但是同时相位相反的谐波电流,可与电网中的谐波电流相抵消.在其额定的无功功率范围内,有源谐波滤除装置的滤波是100%的,但由于其制作较之无源滤波装置复杂得多,且受到电力电子元件额定电流,耐压的限制,成本也就相应高得多了.其主要应用在计算机控制系统的供电系统中,特别是楼宇的供电系统,以及工业上的供电系统.

4.1.3加装静止无功补偿装置

电弧炉、电力机车等能够产生快速变化的谐波源,在产生谐波的同时,还会导致电网电压的闪变和波动,造成电力系统的电压三相不平衡,使电网的电能质量严重恶化.将静止无功补偿装置并联装设在谐波源处,既能有效减小谐波量的波动,又能抑制电压波动、闪变、三相不平衡,并且还可对功率因数进行补偿.

4.2降低谐波源的谐波含量

由于谐波电流近似与谐波次数成反比,脉动数增加时谐波次数也同时增加,通过增加整流装置的脉动数,一系列次数较低、幅值较大的谐波将会被消除,谐波电流随之减少.

当变流器为自关断器件设计或者采用高功率因数设计时,采用多重化技术,通过改变谐波源的配置或者工作方式,使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较低,同时波形接近于正弦波,可以使得功率因数控制为1,变流器产生的谐波非常少.

4.3供电环境的改善

谐波源如果由容量较大的供电系统或者高电压的电网供电时,系统承受谐波的能力将会增强.因此由专门的供电系统对产生谐波的负荷进行供电时,可以降低谐波对其它用电负荷的影响.通过合理地选择供配电系统并尽量保持三相电压平衡,可以将谐波对电网的影响有效地降低.

总之,抑制谐波的方案可分为补救性和预防性两种,最终目的是要使系统的谐波含量在符合相关国家标准规范的基础上,同时满足用户的要求.

5结语

随着各个行业非线性元件的大量应用,电力系统中出现越来越严重的谐波问题.谐波产生的原因是多方面的,将非线性负载产生的谐波准确测量并得到相应的治理是十分必要的.谐波抑制是一个长期的系统工程,设计出一种高效、经济、可靠的滤波器来抑制谐波,达到既减少谐波侵入电网,又能保证各种电气设备安全稳定运行的目的,使电网质量符合相应的国家标准.

【参考文献】

[1]葛玉敏,李宝树.多谐波源系统中利用谐波抑制谐波初探[J].电气技术.2008（9）.