电力系统谐波污染危害及综合治理

2022-09-10

电能作为现代社会的重要能源之一广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。随着电力系统规模的飞速发展, 人们对电能质量的要求越来越高。谐波是目前电力系统中存在的最普遍现象, 是电能质量的主要指标。电力系统谐波是电能质量的重要参数之一, 随着电力电子技术的发展, 大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业, 使电网谐波含量大大增加, 电能质量下降。谐波给供电企业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。

1 谐波产生和标准

谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时, 设备吸收的电流与施加的电压波形不同, 电流因而发生了畸变, 由于负荷与电网相连, 故谐波电流注入到电网中, 这些设备就成了电力系统的谐波源。电力系统中的主要谐波源可分为两类: (1) 含半导体的非线性元件, 如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PW M变频器等节能和控制用的电力电子设备; (2) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源, 如日光灯、交流电弧炉、变压器、发电机组及铁磁谐振设备等。

2 谐波的危害

电力系统谐波指数是衡量电力系统质量的重要参数之一。尤其是在电能被社会各行业广泛应用的今天, 电力系统谐波对整个供电、用电系统的危害日益突出。

(1) 增加输、供和用电设备的额外附加损耗, 使设备的温度过热, 降低设备的利用率和寿命。

(1) 电力谐波对输电线路的影响:谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应, 使线路电阻随频率增加而提高, 造成电能的浪费;由于中性线正常时流过电流很小, 故其导线较细, 当大量的三次谐波流过中性线时, 会使导线过热, 损害绝缘, 引起短路甚至火灾。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, 对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 (2) 电力谐波对变压器的影响:谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度, 谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言, 会大大增加励磁电流的谐波分量。 (3) 电力谐波对电力电容器的影响:含有电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波阻抗很小, 谐波电流叠加在电容器的基波上, 使电容器电流变大温度升高, 寿命缩短, 引起电容器过负荷甚至爆炸, 同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振, 使故障加剧。

(2) 影响继电保护和自动装置的工作可靠性:特别对于电磁式继电器来说, 电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动, 使其动作失去选择性, 可靠性降低, 容易造成系统事故, 严重威胁电力系统的安全运行。

(3) 对用电设备的影响:电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件温度出现过热使计算机及数据处理系统出现错误, 严重甚至损害机器。

3 谐波抑制方法

谐波的抑制方法就是寻求降低谐波源的谐波含量的方法。

在谐波源上采取措施, 最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。具体方法有以下几种。

(1) 增加整流器的脉动数:整流器是电网中的主要谐波源, 增加整流脉动数, 可平滑波形, 减少谐波。如:整流相数为6相时, 5次谐波电流为基波电流的18.5%, 7次谐波电流为基波电流的12%, 如果将整流相数增加到12相, 则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5%, 7次谐波电流下降到基波电流的3%。 (2) 脉宽调制法:采用PWM, 在所需的频率周期内, 将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。 (3) 三相整流变压器采用Y-d (Y/Δ) 或D、Y (Δ/Y) 的接线:这种接线可消除3的倍数次的高次谐波, 这是抑制高次谐波的最基本的方法。

谐波抑制方法可分为主动型和被动性两种。

(1) 被动型谐波抑制方案。

即谐波负载本身不加改变, 而是在电力系统或谐波负载的交流侧加装无源滤波器 (PF) 、有源滤波器 (APF) 或者混合滤波器 (HAPF) 等装置, 通过外加设备对电网实施谐波补偿。

(1) 加装LC滤波器:供配电系统中加装电抗器L与电容器C组成LC调谐滤波器, 即可补偿无功功率, 又可吸收谐波。缺点是只能补偿固定频率的谐波, 且易和系统中其他频率谐波发生谐振, 导致谐波放大。

(2) 设置有源的谐波器 (APF) :它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流, 就会获得一个纯粹的正弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理 (DSP) 技术来控制快速绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 。因为设备是与供电系统并联工作的, 它只控制谐波电流, 基波电流并不流过该滤波器。

(2) 主动型谐波抑制方案。

即研制新型高功率因数、低谐波的整流电路和控制方式或对电力电子装置本身进行改进, 使其不产生谐波, 目前, 已有PW M整流器和带斩波器的二极管整流电路在各种开关电源中使用。

4 谐波污染的综合治理

谐波治理从形式上可分为谐波源就地治理和区域集中治理两种。从治理设备的设计原理上分为无源交流滤波、有源交流滤波两种。低电压谐波滤除设备按原理分有无源滤波装置和有源滤波装置。

有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流, 以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿, 且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂, 运行损耗较大, 设备造价高;在补偿谐波的同时, 也会注入新的谐波。

无源滤波器 (又称LC滤波器) 是利用LC谐振原理, 人为地造成一条串联谐振支路, 为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道, 使之不注入电网。LC滤波器结构简单, 吸收谐波效果明显;但仅对针对滤波频率的谐波有较好的补偿效果;且补偿特性受电网阻抗的影响很大, 在特定频率下, 电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。

5 结语

谐波问题是目前工业化国家最重要的电能质量问题之一。治理谐波污染有着深远而又重大的社会和经济意义。随着现代信息技术, 计算机技术和电子技术的发展, 电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能质量的监测与治理水平, 同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络, 及时分析和反映电网的电能质量水平, 找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因, 采取相应的措施, 为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。

摘要：从电力系统谐波来源, 分析谈谐波危害, 根据电力系统谐波污染抑制方法提出治理谐波的建议及综合治理方法。

关键词：谐波,谐波源,谐波污染,谐波综合治理