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电力谐波
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电力谐波

时间:2019-01-21 | 作者:电力谐波

一、电力谐波(Harmonic Wave)定义
  广义的电力谐波:由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。正是因为广义的谐波概念,才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。
  狭义的电力谐波:电力谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。
供电系统谐波的定义:是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。
谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。

畸变后的电流波形图

二、电力谐波的研究历程
  电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。
  到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。


三、电力谐波的分类
1、奇次谐波
  额定频率为基波频率奇数倍的谐波,被称为“奇次谐波”,如3、5、7次谐波。
2、偶次谐波
  额定频率为基波频率偶数倍的谐波,被称为“偶次谐波”,如2、4、6、8次谐波。
  一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
3、分数次谐波
  频率为基波非整数倍的分量称为间谐波(interharmonics),有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波(sub-harmonics),次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。

电力谐波示意图

四、电力谐波的产生
  电网谐波主要由发电设备(电源端)、输配电设备以及电力系统非线性负载等三个方面引起的。
(1)电源端产生的谐波
发电机的三相绕组在制作上很难做到绝对对称,由于制作工艺影响,其铁心也很难做到绝对的均匀一致,加上发电机的稳定性等其他一些原因,会产生一些谐波,但一般来说相对较少。
(2)输配电过程产生的谐波
电力变压器是输配电过程中主要的谐波来源,由于变压器的设计需要考虑经济性,其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态,使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形,因而产生奇次谐波。较高的变压器铁心饱和程度使得其工作点偏离了线性曲线,产生了较大的谐波电流,其奇次谐波电流的比例可以达到变压器额定电流的0.5%以上。
(3)电力设备产生的谐波
1)整流晶闸管设备。由于整流晶闸管广泛应用在开关电源、机电控制、充电装置等许多方面,给电网带来了相当多的谐波。据统计,由整流设备引起的谐波将近达到全部谐波的40%,是谐波的一个主要来源。
2)变频设备。水泵、风机等机电设备中常用的变频设备,因为大部分是相位控制,其谐波成分比较复杂,除了整数次的谐波成分外,还含有一定分数次的谐波成分,变频设备的功率一般较大,其广泛应用对电网造成的谐波也越来越多。
3)气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等,其伏安特性的非线性相当严重,有的电光源还具有负伏安特性,这些都会给输电网带来奇次谐波成分。
4)家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中,由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外,计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等,因其具有一定的调压整流功能,也会产生高次的奇次谐波成分。这些家用电器设备也成为谐波的一个主要来源。
5)其他用电设备。


五、电力谐波的危害
1)对旋转的发电机、电动机而言,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁心中产生附加损耗,从而降低发电、输电及用电设备的效率。更为严重的是,谐波振荡容易使汽轮发电机产生振荡力矩,可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳破坏。
2)谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖,不仅导致电机、变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加,而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加,所以电机、变压器在严重的谐波负载下将产生局部过热、振动和噪声增大、温升增加,从而加速绝缘老化、缩短变压器等电气设备的使用寿命、浪费日趋宝贵的能源、降低供电可靠性。
3)由于电机、变压器、电力电容器、电缆等负载处于经常的变动之中,极易与电网中含有的大量谐波源构成串联或并联的谐振条件,形成谐波振荡,产生过电压或过电流,危及电机、变压器等负载及电力系统的安全运行,引发输配电事故的发生。
4)电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差,达不到正确指示及计量。断路器开断谐波含量较高的电流时,断路器的开断能力将大大降低,造成电弧重燃,发生短路,甚至断路器爆炸。
5)另外,由于谐波的存在,易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰,严重时将威胁通信设备及人身安全等。

谐波电流造成谐波电压降

六、电力谐波治理
1、治理谐波的预防性措施
(1)整流器中的相位抵消(通过选择合适的相位移动,由低脉波数整流器构成的高脉波数整流器可以消除谐波)或谐波控制。应该使用具有较高脉波数的整流器,如使用12脉冲的整流器来代替6脉冲整流器。
(2)开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。
2、治理谐波的补救性措施
  补救性的解决方法是指为克服既有谐波问题所采用的技术,包括使用LC无源滤波器、使用有源滤波器、电路解谐等。
1)无源谐波
  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。其成本低,但滤波效果不太好,如果谐振频率设定得不好,会与系统产生谐振。市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种,主要是因为低成本,用户容易接受。虽滤波的效果较差,只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本,市场的需求也就大,一般而言,低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式,高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的,业主对谐波的危害认识不足,一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波,而有的企业由于谐波的含量太大,常规的无功补偿不能凑效,供电部门对无功的要求又是十分严格的,达不到就要罚款。因此,业主不得不要求滤波。因而,其市场的前景可观,经济效益也就可观了。
  国内低压侧高水平的谐波滤除装置是采用光纤触发系统,大幅度降低因谐波干扰致使电缆触发所产生的误动。

 无源谐波滤波器系统结构图

2)有源谐波
  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。对单台的装置而言,其利润是可观的,但用户一般不愿意用有源滤波,对于谐波的含量,不必滤得太干净,只要不危害其他用电器也就可以了。
3)避免谐振
  普通电容器对谐波有放大作用,串联一定的电抗器既可以保护电容器,又可以有效地防止系统谐波被放大。根据GB50053-94《10kV及以下变电所设计规范》规定,“当电容器装置附近有高次谐波含量超过规定允许值时,应在回路中设置抑制谐波的串联电抗器。”GB50227-95《并联电容器装置设计规范》规定,“用于抑制谐波,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时,宜取6%;当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时,宜取12%”。


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