浅析配电系统中谐波的危害及其抑制措施

2022-09-30

1 谐波产生的原因

谐波产生的主要原因是当线性负载施加正弦波电压时, 电流是相同频率的正弦波, 当非线性负载施加正弦波电压时, 电流就不是正弦波, 产生了谐波。电气设备中典型非线性设备有变压器、照明器具和各种含有变流电路的电源等。这些设备在向电网吸取基波功率的同时, 也向电网注入谐波电流和谐波。接入配电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化, 如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波, 这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化, 称之为波动的谐波, 这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。随着电力电子设备使用的不断增加, 同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅, 所以目前它们是配电系统中的主要谐波源。

2 谐波的危害

谐波的热效应、绝缘效应、干扰以及放大作用对配电系统本身和广大电力用户带来严重的危害, 归纳起来主要有以下几方面。

使补偿电容器大量损坏。为改善电压质量和降低功率因数, 在配电系统中广泛采用并联电容器, 其安装容量 (Mvar) 约为发电机装机容量 (MW) 的40%~50%。而且随着负荷的变化经常投切。当谐波存在使谐频容抗和电源等值谐频感抗接近或相等时, 就会导致该谐波的严重放大或谐振, 从而引起电流过载, 或因畸变电压的尖峰值超过了局部放电熄灭电压, 引起持续的局部闪络或电晕发生, 最终导致电容器损坏。有关资料表明, 由于谐波使电容器损坏的比例约占电容总损坏数的40%以上。

使测量和计量仪器的指示和计量不准确。由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的, 当供电电压或负荷电流中有谐波成分时, 会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下, 谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能, 从而谐波源虽然污染了电网, 却反而少交电费;而与此同时, 在线性负荷用户处, 电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能, 这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏, 而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。

使变压器的铜耗增大, 其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大, 这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加, 谐波使电压的波形变得越差, 则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加, 因此要减少变压器的实际使用容量, 或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外, 谐波还导致变压器噪声增大, 变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的, 随着谐波次数的增加, 振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加, 有时还发出金属声。

对继电保护、自动控制装置、计算机等产生干扰和造成误动作。这些设备一般都是按工作于所加电压和电流为50Hz的正弦波形而设计的, 谐波的存在使它们的正常工作条件受到破坏, 造成不良后果。对于配电用断路器来说, 全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热, 同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难, 且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器, 由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热, 使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器, 谐波也要使其额定电流降低, 尤其是检测峰值的电子断路器, 额定电流降低得更多。由此可知, 上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

对弱电系统设备产生干扰。对于计算机网络、相临通信线路、铁道信号线路、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备, 电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中, 产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比, 传导则通过公共接地耦合, 有大量不平衡电流流入接地极, 从而干扰弱电系统。

产生的附加损耗, 增加设备温升, 恶化绝缘条件, 缩短设备寿命。与基波相比, 尽管谐波电流比例不大, 但因设备有效电阻因集肤效应而增大, 铁心的磁滞损耗和涡流损耗也会增加。这些附加损耗除降低电网传输效率外, 还使设备绝缘老化加速。同时电压畸变波形的尖峰增大了局部放电强度, 恶化了绝缘条件, 缩短了设备寿命。

可能引起电机的机械振动。由于谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动, 当电机的机械系统自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时, 则会带来噪声污染, 损坏电机设备, 危及人身安全等。

3 谐波的抑制措施

在配电网中对谐波进行抑制主要是如何减少或消除注入电网的谐波电流, 以便把谐波电压控制在国家标准的限值内。为此, 对电网中的主要谐波源产生谐波的情况需要有一个简要了解, 以便有针对性地采取抑制措施。谐波的抑制措施可分为管理措施和技术措施两个方面。

供电部门应在调查研究的基础上, 结合本地区的实际, 制定出相应的国际实施细则;经常向用户宣传谐波的危害, 不断加深用户对谐波的认识;对现有电网定期组织谐波监测, 为采取技术措施提供依据;对新接入电网的非线性大用户要制定一套严格的审定程序, 避免新的谐波源注入而使电网谐波超过国际允许值等。

降低谐波源谐波电流含量:电力电子变流装置是配电网的大谐波源, 增加其脉动数对降低谐波电流含量最为有效。换流器的特征谐波次数为n=kp±1, 式中, k为大于1的正整数, p为换流器的脉动数。p越大, 特征谐波的起始最低次数n越高, 又因In≈I1/n, 其谐波含量也明显下降。当p由6改为12时, 起始最低次谐波由5次变为11次, 谐波电流含有率由I5≈20%I1变为I11≈9%I1。因此, 大型换流器均应采用12脉动以上的换流方式, 大型电解铝厂还采用48脉动的整流装置, 使I47≈2%I1。

装设交流滤波器:在谐波源出装设滤波器, 就地吸收谐波电流, 可以使注入电网的谐波降到国际限值, 这是当前最主要的抑制谐波措施。交流滤波器分无源和有源两种, 目前广泛应用的是无源交流滤波器, 所用设备和技术都简单可靠。近年来, 我国新投运的部分电力机车, 采用车载分次滤波器的方式, 滤去了3, 5次谐波, 效果很好。

选择合理的供电方式:对谐波大用户, 采用专用的电力变压器使之与电网隔离。另外, 提高供电电压, 可以提高电网的短路容量, 从而增大允许谐波电流的含量。因此, 对大容量的谐波源, 应尽可能用较高的电压等级供电。

谐波放大抑制措施:并联电容器补偿对谐波有放大作用, 加重了电网电压畸变和电容器的损坏, 为了消除这种影响, 经实测和计算后, 在电容器上加装适当的串联电抗器或低谷负荷切除部分电容器都可取得良好效果。

摘要：该文简述了配电系统中谐波产生的原因, 分析了谐波对配电系统及用电设备的运行所造成的危害, 并提出了抑制谐波的具体措施。

关键词：谐波,原因,危害,措施