浅谈电网中谐波的产生、危害及治理

2022-09-11

1 谐波的产生

在电力网中对三相交流发电机发出的电压应是正弦波, 波形中基本无直流量及高次谐波分量。由于电力系统中存在非线性元件的负载, 如整流器, 逆变器, 大容量的电力晶闸管, 电容性、电感性负载及变流设备等, 这些设备在传递 (如变压器) 、变换、吸收 (如电弧炉) 电力系统所供给的基波能量的同时, 又把部分基波能量转换成谐波能量, 向电力系统送出大量高次谐波, 使系统波形畸变、电力质量降低, 损坏电力系统中的设备 (如电容器、电缆等) , 使变压器出现过热, 效率降低, 使电动机损耗增加, 转子振动, 使保护自动装置误动。总之谐波对电力系统危害极大, 不但损坏设备, 增加损耗, 还严重威胁系统的安全运行。同时, 高次谐波会对通讯设备产生干扰信号, 所以国家对电网中谐波加以严控和限制。

谐波源按特性包括: (1) 变压器、电抗器一类的铁芯设备; (2) 整流器、逆变器一类的交直流变换设备; (3) 电弧炉一类的负载不稳定的非线性设备; (4) 各种电子设备及家用电器等。

一个非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量, 基波正弦量及一系列频率为基波频率整倍数的高次谐波正弦分量之和。

2 谐波的危害分析

谐波的危害主要表现在以下几个方面: (1) 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗, 使设备过热, 降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整倍数, 高频电流流过导体时, 因集肤效应的作用, 使导体对谐波电流的有效电阻增加, 从而增加了设备的功率损耗、电能损耗, 使导体的发热严重。 (2) 对输电线路的影响:由于输电线路阻抗的频率特性, 线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下, 谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中, 变压器和输电线路的损耗占了大部分, 所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相电网中的中性线的电流增大, 导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容, 它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时, 在一定的参数配合条件下, 会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下, 并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时, 会激励电感、电容产生部分谐振, 形成谐波放大。 (3) 对变压器的影响:谐波电流使变压器的铜耗增加, 特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器, 会在其绕组中形成环流, 使绕组过热;对全星形连接的变压器, 当绕组中性点接地, 而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时, 可能形成3次谐波谐振, 使变压器附加损耗增加。 (4) 对旋转电机的影响谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。 (5) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性:谐波对电力系统中以负序 (基波) 量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重, 这是由于这些按负序 (基波) 量整定的保护装置, 整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰 (如电弧炉等谐波源还是负序源) 则会引起发电机负序电流保护误动 (若误动引起跳闸, 则后果更严重) 、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动, 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护等。 (6) 对电力容量器的影响:随着谐波电压的增高, 会加速电容器的老化, 使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加, 从而容量发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面, 电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时, 就会产生谐波电流放大, 使电容器因过热、过电压等而不能正常运行。 (7) 干扰通信系统的工作:电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合, 在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压, 干扰通信系统的工作, 影响通信线路通话的清晰度, 而且在谐波和基波的共同作用下, 触发电话铃响, 甚至在极端情况下, 还会威胁通信设备和人员的安全。

3 目前普遍运用的抑制高次谐波的方法

(1) 加大对谐波管理和技术监督力度。首先在用户申请用电时, 用户应向用电部门提供有关用电设备参数和运行特点, 进行必要的谐波核算和评估, 如超过国家规定, 则必需采取限制谐波的技术措施, 在设计和供电方案技术参数审查时一起审查, 签订供用电协议时必需明确谐波不得超过有关规定值, 同时用户必需在与电网交接口处安装谐波在线监测记录装置, 以进行全过程谐波监测。对老用户则逐家进行测量和评估, 对超标者, 限期采取治理措施。否则可拒绝续签供用电协议, 或停止供电。 (2) 改进设备选型, 如三相整流变采用Y△或△Y结线可消除3的整倍数的谐波, 增加整流变二次侧相数, 整流变二次侧相数越多, 则整流波型脉波数越多, 奇数低的谐波消除越多。 (3) 安装电容器组, 改变电源至电容器之间的感生电抗, 改变电容器组的无功出力可改变谐振频率, 电容器可采用一调谐电抗器, 使其在调谐频率下的感性电抗值等于容性电抗值。但该方式只能滤除某一频率, 整体效果尚不理想。 (4) 采用安装使用滤波器的方法, 无源滤波器采用较普遍, 其滤波效果与系统运行参数相关, 在特定情况下无源滤波器可能与系统发生谐振, 则补偿效果适得其反。效果较好的是采用有源滤波器, 可减轻无源滤器的缺点, 按与补偿对象连接方式分为并联型和串联型, 并联型能对谐波和无功功率进行动态补偿, 其补偿特性不受电网阻抗的影响, 是一种较好的补偿装置, 但因并联型有源滤波器相对容量较大, 存在初期投资大的缺点, 所以很多场合下, 选择了一种降低容量的混合型补偿方式。 (5) 对于像电弧炉非线性无规律负荷及像轧机无功冲击使电网电压波动的负荷, 将会产生有害的高次谐波、功率因素降低, 使电网电压产生严重畸变, 对电网危害极大。

对于上述负荷应采用TCR型静止型动态无功补偿装置 (SVC) 来消除无功冲击, 滤除高次谐波, 平衡三相电压会取得较好效果。

SVC原理简单来说就是电容器提供固定的容性无功QC, 补偿电抗器输出感性无功QTCR, 感性无功和容性无功相抵消, 则能实现电网功率因素为常数, 电压几乎不波动, 其关键是控制晶闸管触发角, 得到所需流过补偿电抗器的电流。晶闸管变流装置和控制系统能实现这个功能。

采集母线无功电流和电压值, 合成无功值和所设定的恒无功值进行比较, 计算得出晶闸管触发角大小, 通过触发装置, 使晶闸管流过所需电流。