谐波的产生及对电力设备的影响

2022-09-12

目前, 电网中谐波干扰大量涌现, 谐波问题日趋复杂。谐波的产生与近年来非线性设备的大量采用有很大关系, 另外广泛应用的传统变压器和铁芯电抗器也会产生谐波。谐波的存在会影响整个电网环境对电力设备以及其绝缘造成不利影响。

1 谐波的产生

在理想干净的电力系统中, 电流和电压都是正弦波。实际上, 当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时, 就形成非正弦电流。在只含线性元件 (电阻、电感及电容) 的简单电路中, 流过的电流和施加的电压成正比。所以如果所加电压是正弦的话, 流过的电流就是正弦的。应指明, 在有无功元件的场合, 在电压和电流波形间有一个相位移动, 功率因数变化了, 但线路仍是线性的。

电力系统中产生谐波的源主要来自各种非线性用电设备, 例如:电力电子装置, 电弧炉, 家用电器, 以及变压器和铁芯电抗器等。在电力电子装置大量应用之前, 最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流, 其次是发电机, 而在电力电子设备大量应用之后, 后者成为最主要的谐波源。

在各种电力电子装置中, 整流设备所占的比重最大, 目前, 常用的整流电路大都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路, 比如直流侧采用电容滤波的二极管整流电路, 这种电路输入电流的基波分量的相位与电源电压相位大体相同, 因此基波功率因数接近于1, 但其输入电流的谐波分量却很大, 给电网造成严重污染, 也使得总的功率因数很低。除此之外, 逆变器、直流斩波器的应用也较多, 这些装置所需的直流电源主要来自整流电路, 因而谐波问题也很严重。交流侧的电流是断续的梯形波, 而直流侧的电压也含有纹波, 这说明整流器在交流侧和直流侧都要产生高次谐波。

变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。加在变压器上的电压通常是正弦电压, 因此铁芯中磁通也是按照正弦规律变化的, 但是由于铁芯磁化曲线的非线性, 产生正弦磁通的励磁电流也只能是非线性的。

此外, 还有许多谐波源, 比如电视机、荧光灯、个人计算机等, 它们虽然单台功率很小, 但其庞大的数量所带来的谐波污染也是不可忽视的。

实际上的负荷曲线比上述例子中所说的要更为复杂, 可以是某种非对称的、磁滞形的以及转折形的, 并且斜率也是随负荷而变的。通过傅里叶级数分析, 可将任何周期性波形分解为一个基频正弦加上许多高次谐波频率的正弦。谐波电流在供电系统及设备内部均会造成影响, 其效果不一, 需分别加以研究。

2 谐波对电力设备及其绝缘的影响

电能质量指标包括频率、电压和波形。交流电的波形是衡量电能质量的一个重要指标, 标准交流电的波形应该是正弦波, 但是由于电力系统中有谐波源的存在使电压和电流中都含有一些谐波分量。谐波的存在对电网是一种污染, 它使电力设备所处环境发生变化, 也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来损害, 其危害总的来说主要有以下几个方面。

(1) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗, 降低了发电、输电及用电设备的效率。

(2) 谐波影响各种电力设备的正常工作, 比如, 谐波会使电机产生附加损耗、机械振动和过电压;会使变压器局部过热;使电容器、电缆等设备绝缘老化、寿命缩短以至损坏。

(3) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振, 从而使谐波放大, 加重上述a和b所带来的危害。

(4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作, 使电气测量仪表不准确。

由于谐波的存在会对电网造成危害因此把谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量的一项重要任务。

下面分述谐波对中性线、变压器、电动机、断路器等的影响及应对方法。

(1) 对中性线的影响。

在三相系统中每个相线对星形接法的中点电压间有120°的相位差, 故当每相的负荷相等时, 在中线上的电流为零。当三相负荷不均衡时, 只有去掉均衡值以后的电流流入中线。安装者利用这一好处可把中线导线容量减少一半。然而, 虽然基波电流可相互抵消, 但谐波电流则不是这样的——事实上它们都是三次谐波有奇数位 (“3N倍”的谐波) 在中线上矢量相加。中线电流可轻易地接近相电流的两倍来流过截面减半的中线导线, 使中线过热而发生事故。所以中线的截面应该是每相导线截面的两倍, 用五芯电缆可方便地实现这一方案, 每相用一个芯线而中线则用两个芯线如果搞不到五芯电缆, 就最好是用一根两倍截面的电缆做中线。故中性线的截面选择要充分考虑谐波的含量。

(2) 对变压器的影响。

三相变压器对高次谐波的响应状况取决于所用的连接方式 (星形、三角形) 。

对于星/星 (Y/Y) 接法, 相电流间的任何不平衡结果会使星点电气位移, 使相线对中线的电压不相等。3N倍的谐波电流在一次及二次的相线对中线的电压上均造成谐波电压并使星点的电压脉动。如果一次是四线制的 (即星点连接中线) , 电压就不会有畸变, 但一次中线上要流过谐波电流, 就会引起电源系统的畸变。加上第三个三角形接法的绕阻就可以克服这个问题 (容量为变压器额定值的30%) , 它给循环不均衡的及3N次谐波提供了通路, 这样就可防止它们传回入配电系统。3N次谐波电流在一次绕阻循环流动而不会传到电源系统中去。这种接法是配电变压器中最常用的一种。

(3) 对感应电动机的影响。

和变压器中的道理一样, 谐波畸变会加大电动机中的损耗。然而, 由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗, 每个谐波分量都有自身的相序 (正序、零序、逆序) , 它表示旋转的方向 (在感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的) 。

此外, 谐波对集肤效应更显著。交流电流趋向于在导体的外表面流动, 即众所周知的集肤效应, 它在高频方面更为显著。通常因为集肤效应在电网频率下影响很小而被忽略, 但是大约在350Hz以上 (亦即七次谐波及其以上时) , 集肤效应将变为显著的而导致附加的损耗和过热。在有谐波电流的场合, 设计者应考虑集肤效应并适当降低电缆的额定容量。例如采用多芯电缆或分层的母线来克服这个问题。