电力系统谐波的危害性及抑制策略

电力系统谐波的危害性及抑制策略【摘要】抑制电力系统的谐波对于改善电能质量非常重要。文章介绍了电力谐波的定义、特征、谐波源等概念,阐述了谐波的危害性及抑制策略。指出谐波作为反映电能质量的一个重要标志,将会日益受到广泛关注。必须进一步提高对于电力谐波危害性的认识程度,努力掌握电力谐波的产生机理,积极开发和运用新产品新技术,将谐波对电力系统所造成的危害降低到最低程度。【关键词】电力谐波电能质量抑制策略有源电力滤波器危害性1概述现代电力系统中的谐波主要是由非线性用电设备造成的,各种换流设备(如高压直流输电系统、化工和冶金行业的整流设备等)按照一定的规律,开闭不同的电路,从电网汲取非正弦的电流,造成大量谐波电流注入电力系统,致使电力系统的电流、电压波形发生畸变,严重影响电力系统的安全经济运行。电力谐波的发生、传输、测量、危害性及抑制策略是电工技术领域面临的重要研究课题之一。2谐波定义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,使电网受到一定程度的“污染”,其谐波次数范围一般为2≤n≤40。3电力谐波的特征在理想的电力系统中,三相交流发电机发出的电压波形基本是正弦波形。即在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里,电流与电压成正比,流过的电流是正弦波。而在实际的供电系统中,由于有非线性负荷的存在,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,其负荷图形(电流或电压波形)几乎全是非对称的、磁滞形的以及转折形的,并且斜率也是随负荷而变的,任何周期性波形均可分解为一个基频正弦加上许多谐波频率的正弦。谐波频率是基频的整倍数,例如基频为50Hz,2次谐波为100Hz,3次谐波则为150Hz。畸变的电流波形可能有2次谐波、3次谐波……可能直到第30次谐波组成。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况,而与电网参数无关,故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关,称为该电路的特征谐波。除特征谐波外,在三相电压不平衡,触发脉冲不对称或非稳定工作状态下,各种晶闸管电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波,如5、7、11、13次等。4谐波源向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电力电子装置是公用电力网络中最主要的谐波源,产生谐波的电气设备类型包括:开关模式电源(SMPS)、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁心设备及某些家用电器如电视机等。这些设备取用的电流是非正弦波形的,其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。4.1开关模式电源(SMPS)大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电,然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电。优点是:这将使设备元器件的尺寸、价格及重量均可减少,制造成本便可大幅度降低,从而受到设备制造厂家的热烈欢迎。缺点是:无论任何一种类型的元器件,都不能从电源汲取连续的电流,只能汲取脉冲电流,而此脉冲电流含有大量的3次及高次谐波的分量。4.2电子荧光灯镇流器电子荧光灯镇流器近年被大量采用。其优点是:在工作于高频时可显著提高灯管的工作效率;而其缺点是:逆变器在电源电流中容易产生谐波和电气噪声。4.3直流调速传动装置直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路,它也称作六脉冲桥式整流电路,因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直流电动机的电感是有限的,故在直流电流中有300Hz的脉动波(即为供电频率的6倍),这就改变了供电电流的波形。4.4不间断电源(UPS)根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所使用转换方式的不同,UPS有许多不同的类型。主要的类型有:在线的UPS、离线的UPS和线路交互作用的UPS。由UPS供电的负荷总是电子信息设备,它们是非线性的并且含有大量的低次谐波。4.5磁芯器件有铁心的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。如果电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大),那么磁场中会有高次谐波,这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很小)则磁通密度也将是正弦波形,而电流波形则含有高次谐波,这被认为是自由磁化过程。5谐波限值为使电网谐波电压保持在允许值以下,必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则,即在一个共同的电磁环境中,电气设备既能正常工作,又不得过量地干扰这个环境。国家技术监督局已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量公用电网谐波》,规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值。根据国家标准GBl7625.1《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》,用户所购置的用电设备必须符合谐波电流的限制值,方可允许接入供电系统。6电力谐波造成的危害电力谐波作为一种污染,对电网造成的危害十分严重。它能使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电器设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化、使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁;它可引起电力系统局部谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备损坏;它能引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。另外,还对通讯设备和电子设备产生严重干扰等等。电力谐波的危害主要表现有以下几方面:6.1增加输、供和用电设备的额外附加损耗,使设备的温度过热,降低设备的利用率和经济效益(1)电力谐波对输电线路的影响谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时,对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。(2)电力谐波对变压器的影响谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度,谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言,则会大大增加励磁电流的谐波分量。(3)电力谐波对电力电容器的影响含有电力谐波的电压加在电容器两端时,由于电容器对电力谐波阻抗很小,谐波电流叠加在电容器的基波上,使电容器电流变大、温度升高、寿命缩短,引起电容器过负荷甚至爆炸,同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振,使故障加剧。6.2影响继电保护和自动装置的工作可靠性对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动,使其动作失去选择性,导致可靠性降低,容易造成系统事故,严重威胁电力系统的安全运行。6.3对通信系统工作产生干扰电力线路上流过幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时,会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度,甚至在极端的情况下,还会威胁着通信设备和人员的安全。6.4对用电设备的影响电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变,画面亮度发生波动变化,并使机内的元件温度出现过热;使计算机及数据处理系统出现错误,甚至损害机器。另外电力谐波还会对测量和计量仪器的指示及整流装置等产生不良影响。7对谐波管理存在的不足之处7.1对谐波的危害认识不足电力谐波作为一种污染,对电网的危害十分严重。由于谐波的危害程度需要专业测量和计算,在生产实践中不易觉察到,而某些供电企业这方面的工作还不够完善,显然对谐波的危害还没有足够的认识。7.2对谐波的产生机理缺乏深入了解对客户的用电设备,往往只片面强调用电安全性及功率等经济指标,而对它们产生的电力谐波污染却认识不足。事实上,工业用电的负荷中的换流设备、变频设备、电焊机、电弧炉等都是主要的谐波源,同时一些居民用电产生谐波的负荷也不容忽视,如电视机、洗衣机、电冰箱、空调器等,虽然单台的谐波电流不大,但由于其累计数量巨大,对电网的谐波污染也不可低估。7.3谐波管理的专业技术力量不足由于谐波管理涉及电力电子、电力系统、电力自动化技术、电子测量、理论电工等专业,而在某些供电企业中对口专业人才相对缺乏,很难开展谐波测量、谐波源监测、谐波分析、谐波治理等工作,因而无法实现及时监控、治理的目标。7.4谐波管理的资金投入不足谐波测量是一项比较繁琐的工作,需要较大的人力物力,而谐波源治理又比较困难,用户在购买设备时为减少投入,对谐波抑制设备配备不足,因而造成了电网谐波抑制设备的严重缺乏。譬如在甘肃省陇南市境内,蕴藏着中国第二大铅锌矿藏,私营性质的锌冶炼加工厂星罗棋布,普遍存在抑制谐波设备投入不够的现象,必须大力投入谐波管理的资金,进一步加大监测和管理力度。8电力谐波的抑制措施为了减少供电系统的谐波问题,从管理和技术上可采取以下措施:(1)严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准,有效杜绝谐波源入网。《中华人民共和国电力法》指出:“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”,《供电营业规则》中规定:“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时,用户必须采取措施予以消除。”①对于电力用户来说,要求所购置的用电设备必须符合GBl7625.1《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)》标准,方可允许接入到配电系统中。②根据国家技术监督局1993年颁发的GB/T14549《电能质量公用电网谐波》,规定注入公共连接点的谐波电流允许值的用户,必须安装电力谐波滤波器,以限制注入公用电网的谐波。③严格业扩报装审批手续,对新上用户设备的负荷特性严格审查,对大容量的谐波源,其相关的谐波抑制设备不配套,谐波注入量不达标,不予验收送电。④对于新建、再建、扩建工程的用户,监督其选用不产生谐波的电气设备。(2)贯彻“谁污染,谁治理”的原则,实施绿色电网工程。治理谐波污染的核心内容是有效控制污染源,堵住客户向电网注入超标的谐波电流。供电公司应该制定相应的考核措施,坚定不移地贯彻“谁污染,谁治理”的原则,实施绿色电网工程,牢牢掌握治理谐波污染的主动权。(3)加强对与大用户谐波污染的监测和管理。由于电弧炉冶炼技术经济的优越性,电弧炉的市场用量日益增多,已成为电网中的主要谐波源。对于容量在100kVA及以上整流装置和非线性设备的用户,必须增设分流滤波装置,就近吸收电力谐波。强制性要求装设谐波检测设备和谐波计量仪表,定期对谐波污染严重用户的谐波污染状况进行定量检查,为实施谐波计量和收费提供准确的依据。对于超过国家标准的设备拥有者,必须给予适当的经济处罚。(4)大力普及谐波管理知识,宣传谐波对电网的危害。使供电企业职工与电力用户都能够充分认识到,谐波治理不仅是供电企业的责任,而且也是供电企业和电力用户的共同责任,减少电网谐波污染,提高电能质量,对双方都有裨益。(5)充分认识谐波对电网的危害,在供电企业内部把谐波管理指标与经济责任制考核挂钩,建立健全谐波管理体系,组织专业管理队伍,对谐波进行专业管理,开展谐波专业分析与治理。(6)高压直流(HVDC)输电方式在远距离、大容量方面独具优势,然而环流变压器却是一个大功率、非线性电子元器件,在电力系统内会产生大量非特征和特征谐波,不但会使周围通讯系统受到干扰,而且会使输电系统电气设备因发热而损坏,严重时在电力系统可能产生并联或串联谐振。通常采用的抑制谐波的方法有两种,一种是增加换流器的相数或脉冲数,另一种是装设交流滤波器和直流滤波器。(7)对于三相整流变压器,尽量采用Y/△或△/Y的接线形式,这样可以消除3的整数倍次的电力谐波,从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11……等次谐波。(8)电力电容器具备一定的抗谐波能力,但是当谐波含量过大时又会对电容器的寿命产生不良影响,加之由于电容器对谐波具有放大作用,因而会使系统的谐波干扰更加严重。所以对于大容量的电力设备(特别是大容量的电容器组)而言,在其回路内可考