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谐波污染及治理对策探讨

 

一、引言

早在20世纪20年代和30年代,由于德国使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变,使人们对电力系统的谐波问题引起了注意。20世纪70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置的广泛应用,谐波所造成的危害也日趋严重。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

电能质量包含多个方面,如电网电压偏差、电压谐波、电压波动与闪变、三相电压不平衡度等,但电压谐波是电能质量中最重要的一种。谐波主要是由用户中的非线性用电负荷(如:整流装置、冶炼炉、电气化机车等)引起的,一个用户引起的谐波不仅影响到自身,而且污染电网并影响到该电网中的其它电力用户。因此,通过对电网各点谐波的监测及分析处理,以推进谐波的治理,对提高电网的电能质量和加强电网的管理均有着重要意义。

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量,使电网受到污染。如变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变,结果是在输入输出回路产生电流高次谐波,干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备。

二、产生谐波的各种原因及产生谐波的设备

产生电网谐波的原因及设备主要来自于以下几个方面:

1.发电电源。由于发电机三相绕组很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对均匀等原因,发电源多少也会产生一些谐波。

2.输配电系统。输配电系统中主要是由于变压器的工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。变压器工作点偏离线性越远谐波电流越大,其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%

3.用电设备。如晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。我们知道,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波约40%,这是最大的谐波源。

4.变频装置。常用于风机、水泵、电梯等设备中的变频装置,由于采用了相位控制,谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。

5.电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波,平均可达基波的8% 20%,最大可达45%

6.气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是谐波的主要来源之一。

某小炼钢厂以炼钢为主,有5家业户,共5台中频炼炉,每家业户各有两台变压器并列运行。各变压器容量为400kVA,通常工作在低谷电价时间。测试时间为23日下午145分,工作时段为:231345240928。测量次数为1183次,时间间隔为000100

从测试的结果看,该厂的电压总畸变率A95%概率值为7.52%C95%概率值为7.30%,均已超过国标规定4%的限制值。在测试当天17点以后,为躲峰谷电价,所有钢厂均已停产,此时10kV线路的电压畸变率低于国标的限定值。

从谐波电压测试结果看,钢厂工作时的5次和7次电压谐波含有率越限次数较多。从谐波电流测试结果看,钢厂工作时主要产生的57131921次谐波电流,这与钢厂的负荷性质有关,其中57次谐波电流比较大,并超出国标中按最小短路容量计算的谐波电流允许值。

三、电网谐波的危害

电力系统中谐波的危害是多方面的,概括起来有以下几个方面:

1.对供配电线路的危害。

影响线路的稳定运行:供配电线路与变压器一般采用电磁式、感应式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。

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.对电力设备的危害。

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。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异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化,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。

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;使变压器的铁耗增大,即铁心中的磁滞损耗增加;使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。由于以上两方面的损耗增加,要减少变压器的实际使用容量,除此之外,谐波还导致变压器噪声增大。

对电力电缆的危害:由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小。另外,电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

对用电设备的危害。谐波增加异步电动机的附加损耗,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,减少电动机的出力;对低压开关设备如配电用全电磁型、热磁型和电子型的断路器,对于漏电断路器、电磁接角器、热继电器来说,都可能因受谐波而产生误动作。

对弱电系统设备的干扰。对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。

影响电力测量的准确性:目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确。

四、抑制谐波干扰的对策与常用的方法

谐波的传播途径是传导和辐射,解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离;解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。具体常用方法:

1.变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立,或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器,切断谐波电流。

2.在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器,或安装谐波滤波器,滤波器的组成必须是LC型,吸收谐波和增大电源或负载的阻抗,达到抑制谐波的目的。

3、电动机和变频器之间电缆应穿钢管敷设或用铠装电缆,并与其他弱电信号在不同的电缆沟分别敷设,避免辐射干扰。

4.信号线采用屏蔽线,且布线时与变频器主回路控制线错开一定距离(至少20cm以上),切断辐射干扰。

5.变频器使用专用接地线,且用粗短线接地,邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开,使用短线。这样能有效抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

五、结论

电力系统的非线性负荷产生的无功冲击及谐波公害,严重危及到电力系统的安全运行和优质服务供电,同时给电力用户造成损耗增加,出力降低,线路老化,绝缘降低,谐波噪声等危害。我国于早在十几年前颁布的国家标准《电能质量:公用电网谐波》中规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值,电力系统在防止高次谐波入侵电网方面也采取了多项措施。就电力负荷控制系统现有技术条件,对负控终端稍加改装就可以利用交流采样模块对谐波源用户进行监测,通过无线通道或GPRS通道对负控中心主站进行谐波数据传输,在主站的后台机上就可以看到波形和数据,为用电检查部门提供谐波技术数据,从而对用户告知采取相应的改进措施,防止和减小谐波污染源对电网的危害。

 

(李金哲)

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