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供电系统的谐波是如何产生的?抑制方法又是什么呢?

电气系统中的电气设备产生的电压或电流波形非理想的正弦波时,即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成分,将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。谐波对电气设备的正常工作有不利影响,因此,研究谐波的危害与抑制方法,对保证电网的电力质量十分必要。

1)谐波是如何产生的?

谐波来自于三个方面:一是发电设备产生的谐波;二是输配电系统产生的谐波;三是供电系统的电气设备(如变频器、电炉等)等产生的谐波,其中以供电系统的电气设备产生的谐波居多,具体如下:

1)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。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。如果整流装置为单相整流电路时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥脉冲整流器,变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器,也含有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是大的谐波源。

2)变频装置:变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,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,随着变频调速的使用的增多,对电网造成的谐波也越来越多。

3)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2~7次的谐波,平均可达基波的8%~20%,大可达45%。

4)气体放电类电光源:荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。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。

5)家用电器:电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些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。

2)谐波有哪些危害?

谐波会产生各种各样的危害主要有:

1)由于谐波的频率较高,使导线的趋肤效应加重,因此铜损急剧增加。同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。

2)谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析:谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去,因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算,从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。在高次谐波严重的情况下会严重影响电能表的计量精度。

3)精密电子设备(包括电子式电能表)会被严重干扰,导致不能正常工作,甚至烧毁。

4)所有接于电网中的设备的损耗都会增加,温升增加。含有电容器的设备受影响为严重,甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。

5)电机内负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。

6)继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。

      当供电系统的谐波污染程度小于国家标准的规定时,通常不会对系统造成影响,如果不进行谐波治理,往往会产生很严重的后果。

3)谐波如何抑制,方法有哪些?

      对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内,抑制谐波电流主要有三方面的措施:

1)降低谐波源的谐波含量:也就是在谐波源上采取措施,大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极,能够提高电网质量,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。

具体方法有:增加整流器的脉动数:整流器是电网中的主要谐波源,其特征频谱为:

     n=Kp±1,则可知脉冲数p增加,n也相应增大,而In≈I1/n,故谐波电流将减少。因此,增加整流脉动数,可平滑波形,减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器,以减少交流侧的谐波电流含量。理论上,脉波越多,对谐波的抑制效果越好,但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂,体积越大,变流器的控制和保护变得困难,成本增加。

脉宽调制法:脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻,保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式,使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量,达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的,目前采用的PWM技术有优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

     三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线:三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式,这样可以消除3个整数倍次的电力谐波,从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11……等次谐波。

2)在谐波源处吸收谐波电流:这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力系统使用广泛的抑制谐波方法。目前常用的方式采用有无源滤波装置和有源滤波装置等。下面就谈谈这几种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

无源谐波滤除装置:无源滤波器也称为LC滤波器,可分为单调谐滤波器、双谐滤波器和高通滤波器,实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置,单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路,其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及其控制回路和保护回路组成。无论高压和低压,都是一样的。高压滤波器和低压滤波器的区别,主要是使用的元器件的耐压不同,其所承受的电流也不同,要求的安全距离也就不同了,其设计和制造的难易程度也就有极大的区别了。

      滤除谐波的多少视每一个工程的实际情况而不同,一般为系统原含有谐波量的20%~50%不等。也可视工程的具体情况,多设几组滤波器,滤波效果达到原有谐波含量的70%以上,但这要在保护回路上多下功夫,其保护回路也就相对复杂一点了。无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来,组成LC串联回路,并联于系统中,LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上,例如5次、7次、11次谐振点上,达到滤除这3次谐波的目的。现在,市场上流通较多采取的滤波方法就是这一种,滤波效果虽差,但成本较低,用户容易接受。但使用中如果谐振频率设定得不好,会与系统产生谐振。

有源谐波滤除装置:有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的,它的滤波效果好,在其额定的无功功率范围内,滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路,使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度,但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压,额定电流的发展限制,成本极高,其制作也较之无源滤波装置复杂得多,成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统,尤其是写字楼的供电系统,工厂的计算机控制供电系统。

     防止并联电容器组对谐波的放大:在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。为了解决无源滤波器和有源滤波器各自存在的缺点,构成比较理想的谐波补偿系统,一般将有源滤波器和无源滤波器混合使用。

加装静止无功补偿装置:快速变化的谐波源有电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处,并联装设静止无功补偿装置,可有效减小波动的谐波量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因数。

3)改善供电环境:选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡,可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电,减少谐波对其它负荷的影响,也有助于集中抑制和消除高次谐波。


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