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【摘 要】谐波污染是影响电力系统安全稳定运行的主要因素之一,谐波影响了电力系统中的电能质量,会产生附加的谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率.对谐波污染的有效治理,对于保证电力系统的经济运行具有重要的意义.本文介绍了电力系统中常见的谐波污染源种类,分析了谐波污染的危害,并对谐波治理方法进行了总结.
【关 键 词】电力系统谐波治理
1电力系统中谐波的来源
谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,而基波是指其频率与工频相同的分量.就电力系统中的三相交流发电机发出的电压来说,其正常波形是正弦量,即电压波形基本上无直流和谐波分量.随着电网中各种电力电子设备的增加,电网的谐波污染日益严重.谐波会使电网中电压和电流波形发生畸变,严重影响电力系统中的电能质量.对电力系统中谐波污染的有效治理,对于保证电力系统的安全稳定运行具有重要的意义.
电力系统中的谐波主要由非线性或者对电流进行周期性开断控制的电气设备产生.电力系统中的谐波源主要有以下两种:一是具有非线性电流电压特性的设备,如感应炉、电弧炉、变压器等.还有就是装有电力电子器件对电流进行控制的设备,如变流装置、变频器、交流控制器等.
这些谐波源中,在设备的电源侧有整流回路的都会产生因其非线性引起的谐波.在输出侧的逆变电路中,对于电压型电路来说,输出电压是矩形波.对电流型电路来说,输出电流是矩形波.矩形波中含有较多的谐波,对负载会产生不利影响,因此即使电力系统中电源的电压是正弦波,也会由于这些非线性元件的存在使得电网中总有谐波电流或电压的存在.因此电网谐波的存在主要在于电力系统中存在各种非线性元件.
2电力系统谐波的危害
电力系统中由于谐波所引起的不良反应十分广泛.谐波污染会使系统中的设备产生附加的谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率.大量的三次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾.谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,引起严重事故.谐波影响各种电器设备的正常工作,使电机发生机械振动、噪声和过热,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热,使绝缘老化,寿命缩短以至损坏.谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量,重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并使电气测量仪表计量不准确.
电力系统谐波对于系统中供配电设备的主要危害具体表现在:
(1)谐波的增加可能使供电系统发生谐振.最常见的谐波谐振是在接有谐波源的用户母线上发生,因为母线上除谐波源外,还有电容、电缆、供电变压器及电动机等负载.这些设备处于经常性的变动中,容易构成谐振条件.一旦发生谐振,将会发生系统过电压而跳闸,甚至绝缘击穿.
(2)对电动机的影响.电压谐波会导致直接的感应电动机的额外损耗.高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹.由于速度是固定的,谐波中储藏的能量就以额外的热量形式散发了,导致设备过早老化.
(3)对变压器的影响.谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加,使绝缘材料承受的电气应力增大,谐波电流使变压器的铜耗增加.这种危害对换流变压器尤为严重,因为交流滤波器通常装在交流侧,谐波电流仍能通过换流变压器,滤波器对它不起作用.
(4)对电容器和电缆的影响.在谐波电压作用下,使电容器产生额外的功率损耗.电容器对供电系统其他部分产生串联、并联谐振,可能发生危险的过电压及过电流,这往往引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏.在谐波电压作用下,电缆的介质损耗增加,使电力电缆绝缘损坏,电缆发生单相接地故障的次数明显增加.
(5)对继电保护装置的影响.配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低.这是因为畸变电流过零点时,电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大,电弧电压的恢复要迅速得多,使电弧容易重燃,导致误跳闸或在该跳闸的时候根本不跳闸.剩余电流可能会达到使剩余电流保护装置动作的设定值,引起误跳闸._
3电力系统谐波的治理措施
对电力系统中谐波的治理应该从两方面来考虑,一是产生谐波的非线性负荷,二是受谐波污染危害的电力设备和装置.这两个方面应该相互配合,统一协调.谐波的治理具体可采用以下方法:
(1)加装无源滤波器:无源滤波器由L、C、R元件构成谐波共振回路,当LC回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时,即可阻止高次谐波流入电网.无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便.无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响,对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大.
(2)加装有源滤波器:有源滤波器通过对电流中高次谐波进行检测,根据检测结果输入与高次谐波成分具有相反相位电流,达到实时补偿谐波电流的目的.与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性.且可消除与系统阻抗发生谐振危险.也可自动跟踪补偿变化的谐波.但存在容量大,价格高等特点.
(3)加装无功功率静止型无功补偿装置:对于大型冲击性负荷,可装设无功功率的静止型无功补偿装置,以或得补偿负荷快速变动的无功需求,改善功率因数,滤除系统谐波,减少向系统注入谐波电流,稳定母线电压,降低三相电压不平衡度,提高供电系统承受谐波能力.
(4)供电线路分开:因电源系统内有阻抗,所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸形.把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷供电线路分开,使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去.
(5)使用理想化的无谐波污染的供配电设备,保证设备输入和输出电流都是正弦波.
4结语
本文主要针对电力系统中谐波治理技术进行了探讨分析.在介绍了电力系统谐波污染的来源的基础上,分析了电力系统中谐波污染的危害,对谐波的常用治理措施做了总结.随着电力电子技术的飞速发展,在治理电力系统谐波问题上将会有更多的治理措施涌现,从而可以更加有效抑制谐波对电网的污染,提高电能质量.
参考文献:
[1]程浩忠.电能质量讲座之谐波治理.低压电器,2007(10):57-60.
[2]魏伟.谐波抑制技术研究综述.电气技术,2009(6):19-23.