什么是电网谐波？谐波畸变的危害有哪些？谐波含义供电系统电网交流电压波形应为正弦波，电路中流过的电流也是正弦波。但是有些用电设备。例如硅整流设
备、电镀、电焊、电弧炉、轧钢机，电动机车，以及气体发光灯，其负荷电流都是非正弦波。理论和实践都能证明：任何周期性的非正弦波都可以分
解成一个直流分量和若干不同频率的周期性正弦分量之和。在这些不同频率的正弦分量中，有一个正弦分量的频率与电力系统电源频率相同，称为基
波；其余各正弦分量的频率都为基波频率的正数倍，统称为高次谐波，并按其频率为基波倍数分别叫做二次、三次、四次......谐波。三次、
五次等倍数为奇数的称为奇次谐波；二次、四次等倍数为偶数的称为偶次谐波。实际上，在将周期性非正弦电流分解为各个分量时，并不一定会含有
所有分量，有时只含有其中几个分量，究竟含有哪几个分量，与非正弦波的形状有关。例如，与横轴对称的非正弦波不含直流分量和偶次谐波。在研
究谐波畸变治理之前,必须首先搞清楚谐波是什么?谐波为什么能产生波形畸变?电力系统,产生的波形(电压、电流)既可能是正弦波、也可能是
非正弦波。所谓正弦波只是一种理想的参数波形,要想得到这种波形,要求发电机定子槽线圈必须高度精确分布,转子要在极其均匀的磁场中旋转才
能产生。而实际生产用的交流发电机,本身既没有高度精确分布的线圈结构,也没有极其均匀的变化磁场,因此发电机所产生的电压波形,随时间的
变化都或多或少地偏离正弦波。这种对正弦波的偏离即是对正弦函数的偏离,从而使对波形的数学描述也变得复杂了。尽管产生的波形畸变不大(1
%~2%),但确实存在。图一图二图2表示含有3次和5次谐波的骑变电压波
形。由于用户的负荷不同,即造成畸变的原因不同,其波形畸变的形状也表现各异,诸如:采用桥式整流电路的变频启动过程,其波形畸变为独特的
双尖顶形电流波;计算机负荷由于电容电流作用,产生的波形畸变为较陡的尖峰形电流波;荧光灯负荷产生的波形畸变为低而平缓的平顶波形;(4
)电弧炉负荷产生的波形畸变极大,而且正负半周不等；由上述分析可知，用电设备的非正弦电流是公用电网的谐波源。由于谐波源向电网注入谐波
电流，在电路阻抗上产生谐波电压降，与正弦波电压叠加，就会造成电网电压波形畸变，而影响供电电能质量。谐波畸变产生的原因电力系统谐波的
产生主要来自电源和负荷两大方面:其一是发电机和变压器制造上的缺欠和风能、太阳能发电方式造成的;其二则是用户的非线性负荷造成的。就电
网的发展来看,这后一种原因即非线性负荷的飞速发展较前者影响更大,是造成谐波污染的主要根源。当某种负荷上施加一个正弦电压,所形成的电
流若和施加的电压及负荷阻抗成正比例,并且随电压波形的变化而变化,这种负荷就叫做无暗变的线性负荷,如电阻加热器、白炽灯泡、恒速电机和
同步电机等;若负荷每半周产生的电流和施加的电压不呈比例性变化,波形呈非正弦畸变波形,这种负荷就属于非线性负荷,如变频启动电动机、蓄
电池充电器、镇流器等。近年来,高压直流输电技术和大容量静止无功补偿技术在电力系统的广泛应用;工业生产中大容量闸晶管、可控硅整流器,
逆变器、变流器等电子设备的大量应用;大到炼钢用电弧炉、轧钢机、电力机车、化工电镀设备,小至变频启动电机(VFDs)、不停电电源、计
算机及各种节能型家用电器(冰箱、微波炉)等,以上这些技术、设备的应用都使电力系统非线性负荷猛增。诚然,上述技术设备在提高系统传输能
力、改善人民生活水平方面都起到积极作用,但同时也使系统中产生了大量的高次谐波,从而加剧"了电网中电压、电流波形畸变水平,恶化了电网
运行状况,导致电网谐波污染日益严重。其后果是电能质量降低,损耗增大,损坏设备,甚至引起系统故障。电压畸变造成的危害电网电压波形畸变
对供用电会造成严重影响，对系统运行的影响例如：系统中高次谐波通过电气传递、电磁感应等方式影响继电保护、测量仪表、通讯远动设备的正常
工作。大量谐波能使继电器、自动装置拒动或误动,如零序电流过大就可能造成接地保护误动;谐波数量大时能使系统中反映工频正弦量·的多数监
视、测量表计产生误差;谐波会影响通讯系统通话的清晰度,严重时发生谐振,干扰整个通讯系统;谐波能导致长距离输电线单相重合闸失败;谐波
能影响避雷器安全运行和损坏互感器;谐波可使功率因数补偿效果变劣;(7)系统谐波严重时能使计算机系统失灵。对用电设备的影响例如：电力
系统中存在谐波能导致多种不良效应,如高次谐波在系统中传递能引起钢、铁损增大,使设备产生过热、噪声;高次谐波的负序分量能使旋转设备产
生反向转矩以致造成机械扭振损伤;串、并联谐振引起的过压、过流导致绝缘老化、介质损耗增加等等,因此可能对电气设备造成种种危害。谐波可
使电动机、变压器、电容器等过负荷,附加损耗增大、严重的可能发热损坏;谐波引起的过压过流使电动机、变压器、电缆等设备绝缘老化,降低使
用寿命;晶体管等电子元件受谐波影响可发热击穿;谐波可使变压器、电缆等降低容量;电动机受谐波影响可产生扭振,影响电力电容器正常运行；
并联电容器的容抗与频率成反比，高次谐波的频率比基波大好几倍，因此并联电容器受谐波作用时，容抗大大下降，这就使电容对谐波电压特别敏感
。在高次谐波电压作用下电容器出现严重过电流，引起温升过高，有时甚至出现电流放大和并联电流谐振，烧坏设备。（7）对电子仪器和继电保护
的正确工作造成影响；高次谐波对电子仪器和晶体管继电保护的工作特性造成影响，使误差增加，性能变坏，可能造成误判断、误动作。特别是对枢
纽变电站的继电保护或铁路信号系统造成影响，一旦出现误动作会造成严重后果。（8）对电力线路和通信线路的影响；高次谐波电流流经输配电线
路时，可能引起串联谐振，引起线路过电压。如果输配电线路与通信弱电线路并行，距离较近，则输配电线路中流过高次谐波电流时可能对通信线路
造成干扰，引起信号失真。谐波畸变计算图3图4图5
图6谐波的治理原则要想提高电能质量减少电能的损耗,必须加强对谐波的治
理。其治理原则就是限制谐波源注入谐波电流、限制谐波电压在允许的范围内。这首选要掌握系统中的谐波源及分布,限制谐波负荷必须在允许的范
围内方可入网,未达标的则必须采取治理措施、以防止谐波扩散。为此,国际电工委员会(IEC)和美国电气电子工程师学会(IEEE)都推荐
有专门的标准。我国结合电网实际水平同时借鉴其它国家标准也制定了电压正弦波形畸变率规定,具体数据见表1为了保证系统正常安全运行,生
产质量合格的电能,限制谐波产生的主要原则为:减少谐波源谐波的含量,对大型整流换流装置增加相数、脉冲数(6脉冲改为12脉冲或更大)
;阻塞高次谐波的流动,如采用高频阻抗装置,采用Y/A变换变压器等阻断;设计时要严格采用合理参数匹配,防止系统产生谐振;采取滤
波措施吸收谐波电流;加强对谐波负荷的管理,限制其入网。谐波的治理方法通过对谐波的产生与危害的分析,使我们认识到治理谐波污染的必要
性及现实可能性。以下着重介绍几种国内外治理谐波畸变的方法。1电机的变频启动以前的电机启动都装有电压源和电流源转换器,这种做法能产生
相当大的电流谐波分量,因此促使近些年变频启动(VFDs)技术得到迅速发展,尤其是美国发展最快。采用变频启动可以降低谐波电流(使总谐波电流畸变可减少10%),减少功率消耗,防止变压器铁芯发热,图2为变频启动电机接线图。这种消谐方法其综合电压畸变的降低与系统阻抗特性有关,包括阻抗数值及原有畸变水平。如果变压器阻抗低,电流畸变就相对较高;如果变压器阻抗高,电流畸变则相对较低。 |
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