電力系統(tǒng)諧波影響及消除方法

 

    所謂諧波，即理想的電力系統(tǒng)向用戶提供的應該是一個恒定工頻的正弦波形電壓，但是由于各種原因，使這種理想狀態(tài)在實際中無法存在。因此通過對周期性電壓或電流的傅立葉分解，所得到的頻率為基波整數(shù)倍分量的含有量，稱為諧波。

 

    諧波對于電網(wǎng)的危害非常大，主要表現(xiàn)在以下方面：

 

    1.由于電網(wǎng)主要是按基波設計的。由于LC元件的存在，雖然在基波時不會發(fā)生諧振，但在某個特定諧波時卻可能引起諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，電網(wǎng)諧振引起設備過電壓，產(chǎn)生諧波過流，對設備造成危害。特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器。其中，特別要注意的是，由于電容器是容性負載，能與電網(wǎng)上感性設備(其它設備主要是感性設備)配合，構成共振條件，又由于其大小與諧波頻率成反比，因此，電容更容易吸收諧波共振電流，引起電容過載，造成電容損壞，或者熔絲熔斷。

 

    2.使電網(wǎng)中的電氣設備產(chǎn)生額外的損耗(諧波功率)，降低了設備的效率，同時諧波會影響設備的正常工作，例如變壓器局部嚴重過熱，電容器、電纜等設備過熱，電機產(chǎn)生機械振動等故障，絕緣部分老化、變質(zhì)，嚴重時候甚至設備損壞。

 

    3.導致繼電保護和自動裝置誤動或拒動，造成不必要的損失，諧波會使電氣測量儀表測量不準確，造成計量誤差。

 

    另外，諧波還會產(chǎn)生對設備附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾等其他危害。

 

    既然諧波危害如此之大，那么諧波是如何產(chǎn)生的?又如何能減小它的影響和危害呢?

 

    諧波來源

 

    1、中頻爐、電弧爐等設備是該地區(qū)諧波的主要來源

 

    對該地區(qū)負荷進行分析，發(fā)現(xiàn)主要的原因是該地區(qū)特鋼工業(yè)發(fā)達，中頻爐、電弧爐等作為一類高效的加熱源已經(jīng)非常普及。電弧爐是利用電極物料間產(chǎn)生的電弧熔煉金屬，因此，它的電流波形很不規(guī)則，含有多種諧波(2次到7次)以及間諧波，這是諧波的一個重要來源。而中頻爐是工頻電流整流后再變?yōu)橹蓄l，再利用電磁感應來熔煉金屬，因此產(chǎn)生大量的高次諧波，其中以5次、7次、11次等奇次諧波為主。這正是該地區(qū)諧波的主要來源。

 

    2、用戶變壓器群是該地區(qū)諧波的重要來源

 

    一般情況下，三相變壓器由于鐵芯為“日”形狀，中相比邊相要短一半，因此，三個磁路的不對稱引起變壓器勵磁電流中含有諧波分量。所以當對空載三相變壓器加電壓激勵時，即使受電側沒有零序電流通路(中性點不接地或三角形接線)，勵磁電流中也會有諧波分量。雖然在實際運行時，這個諧波分量很小，但由于變壓器繞組接法以及各繞組和電網(wǎng)各相的連接統(tǒng)一規(guī)定時，則各臺變壓器勵磁電流里的同次諧波彼此疊加，形成了電網(wǎng)中諧波的又一重要來源。例如，在絕大多數(shù)配變中，都是Y，yn 接線，變壓器的中間的鐵柱對應的線圈即中相接的都是B相，這樣的統(tǒng)一接法，就為3、5、7等次諧波提供了一個分別互相疊加的條件。在該地區(qū)，現(xiàn)有35kV 用戶變壓器5臺，總容量400kVA，10kV用戶變壓器約800臺，總容量330kVA.如此龐大的用戶變?nèi)河殖蔀榱酥C波的又一個重要來源。

 

    3、諧波的其他來源

 

    事實上，諧波還有其他的來源，各類生產(chǎn)用電如電鍍、電泵等，生活用電中如電視機、電腦、熒光燈等采用開關電源或其他電力電子技術的裝置，單獨來看，所產(chǎn)生的諧波非常微小，但是由于其數(shù)量的極其龐大，也是不可忽視的一部分。

 

    諧波治理

 

    根據(jù)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，在0.4kV/10kV/35kV時，電網(wǎng)諧波電壓諧波占有率分別不得大于4%/3.2%/1.2%.很顯然，在該地區(qū)，電網(wǎng)已經(jīng)嚴重 “污染”了。針對以上情況，為減少諧波產(chǎn)生的機會、減小諧波對對電網(wǎng)的危害，我們提出下列建議：

 

    1.針對諧波源進行治理。

 

    按誰干擾，誰污染，誰治理的原則，進行諧波源當?shù)刂卫?。即對于產(chǎn)生大量諧波的用戶，在用戶變的低壓側加裝濾波裝置。根據(jù)裝置的原理不同，可分為無源電力濾波器(PPF)和有源電力濾波器(APF)。

 

    無源電力濾波器利用電容、電感諧振的原理吸收阻止相應次諧波，從而保證電壓畸變率處在較低水平。一般根據(jù)需要吸收的諧波次數(shù)，設置合適的LC參數(shù)，分別設置濾波裝置。

 

    該地區(qū)已有用戶裝設了此類無源濾波補償裝置。裝設5、7次濾波裝置，采用可控硅自動投切，在濾除諧波的同時，對無功也進行了補償。但此類無源裝置不能滿足對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償的要求。同時還要注意不能在濾除某次諧波時，LC參數(shù)恰好是另一個諧波的諧振參數(shù)，而使此諧波放大。

 

    而有源電力濾波器實質(zhì)上是一個大功率的諧波發(fā)生器，它通過諧波采樣裝置將諧波源發(fā)出的諧波采集后，再完整地復制出大小相等、方向相反的諧波，并接入電網(wǎng)，將諧波抵消，其產(chǎn)生的諧波隨諧波源的變化而變化，是一種新型的濾波裝置，但費用較高。

 

    2.改變部分運行、接線方式，減小諧波的產(chǎn)生、疊加、放大、產(chǎn)生危害的機會

 

    增加電網(wǎng)的短路容量、提高電氣設備的短路比，來降低諧波對同一電網(wǎng)上其他設備的影響。

 

    加強運行時的實時控制，避免輕負荷、高電壓的運行狀態(tài)，以減少諧波電壓過高對系統(tǒng)電器設備的影響;

 

    有意識的將配變中間相改接A或者C相，減少變壓器群產(chǎn)生的諧波。在可能的情況下，接成Δ，yn形，將諧波在高壓側消化。

 

    3.在設計中注意避開諧波產(chǎn)生諧振的機會，減小帶來的影響

 

    根據(jù)《民用建筑電氣設計規(guī)范》JGJ/T 16-923.3.10 “為控制各類非線性用電設備所產(chǎn)生的諧波引起的電網(wǎng)電壓正弦波形畸變在合理范圍內(nèi)，宜采限下列措施：各類大功率非線性用電設備變壓器的受電電壓有多種可供選擇時，如選用較低電壓不能符合要求，宜選用較高電壓。”也就是中頻爐等大功率非線性用電設備在選型時，盡量選擇較高電壓。

 

    在無功補償設計中除了應注意避免并聯(lián)電容器與系統(tǒng)感抗的諧振，除了驗算基波外，還需要驗算3、5、7次等主要諧波，避開這些參數(shù)，防止在該次諧波發(fā)生諧振。

 

    “諧波污染”已經(jīng)成為電網(wǎng)內(nèi)三大公害之一，只有各方面都重視起來，進行治理，才能還電網(wǎng)一個干凈的環(huán)境。

 

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