第三章--谐波效应及谐波抑制

第三章谐波效应及谐波抑制第一节谐波谐振第二节谐波对一次设备的影响和危害第三节谐波对二次设备骚扰的评价第四节谐波对用电设备的影响第五节减小谐波影响的技术措施第六节电力系统谐波的限值和标准第一节谐波谐振电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，在一定的参数配合下可能对某些频率产生谐振，诱发出过电压和过电流。对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可能性很小。但在某些高次谐波下谐振，谐波电流和电压剧增，危害设备的运行和安全。即使达不到谐振条件，由于电容器对谐波有放大作用，也会使谐波电流和电压增加。一、谐波的并联谐振1．电容器无串联电感的情况图3-1n次谐波等值电路谐波源大多数为恒流源In系统的基波阻抗为Zs=Rs+jXs并联电容器的基波电抗为-jXc对于n次谐波:系统的谐波阻抗:Zsn=Rsn+jnXs≈jnXs；电容器的谐波电抗为-jXc/nnnCSCnCSCnsIInXXnnXInXjXnjnXjI1nnnsnncIIIII11)11(其中：SCSCXnXXnnX2图3-2Isn和Icn的变化曲线(l)当β=-1，即时，Isn=Icn=∞，发生并联谐振,其中为谐振的谐波次数。(2)当β→-∞，即时，Isn→In，Icn→0(3)当β=-2，即时，Isn=2In，ICn=-In(4)当β=-0.5，即时，Isn=-In，ICn=2InSCXnnXSCXXn00SXnSCXnnX2SCXnnX5.0(5)当β=0，即时，Isn=0，ICn=In(6)以β=-1为界，左侧为感性∵,右侧为容性,∵SXnncnInxjU1190,011nnIUncnInxjU1190,011nnIU(7)在β=-2～-0.5区间，|Isn|≥In，|ICn|≥In，称为谐波电流严重放大区，对应的谐波次数n为:SCSCbaXXXXnn2,2],[SCXXn0总结:(1).并联谐波谐振出现谐波过电流，谐振点:(2).出现谐波电流严重放大区，放大区范围(宽度)(3).谐振点两边，谐波电压反相。SCXXn0SCXX22、电容器有串联电感的情况(1)目的:C串联一定数值的L是为了降低C合闸时的涌流。(2)作用:①降低谐振谐波次数;②缩小谐波电流严重放大区。图3-3电容器串联电感时的谐波等值电路n次谐波电流为：.''.1)(nnCLSCLnsIInXXnXnnXXnI.'.''..11)11(nnnsnnCIIIIISCLXnnXXn'式中当1+β’=0时，出现并联谐振。谐振点的谐波次数为:SLCXXXnn'03、比较有串联L和无串联L两种情况（1）有串联电感时，β’可能大于0，即当nXLXC/n时，C支路变成感性。这时C支路只是起分流作用。（2）两种情况下的并联谐振点不同SCSLCXXnXXXn0'0（3）两种情况下谐波电流的严重放大区不同SCSCabXXXXnnN22SLCSLCabXXXXXXnnN222'''可以证明N’N无串联电感时的严重放大区为:有串联电感时的严重放大区为:4、结论(1)C串联L，并联谐振的谐波次数降低；(2)C串联L，缩小谐波电流的严重放大区宽度N；(3)合理选择L值，可调整谐振谐波次数和N，避免在某次谐波下产生并联谐振。例如:当KL=12%时，I3不致被放大；(4)C支路变成感性时，只起分流作用。二、谐波的串联谐振图3-4串联谐波谐振结线图1、谐波次数（1）不考虑R负载时（2）考虑R负载时%100kCTsCsuSSXXn22'%100CRkCTsSSuSSn2、过电压倍数（1）当变压器不接电阻负载时（2）当变压器接电阻负载时2'2'')(1)(1CsCsCuXRnXRnXRKTTsuRXnK第二节谐波对一次设备的影响和危害谐波对一次设备的影响和危害主要表现在以下几方面:(1)增加设备的损耗，提高温升，降低设备的出力和寿命；(2)增加绝缘中的介质损耗和局部放电量，加速绝缘老化；(3)增加电机的振动和噪音。一、旋转电机定子绕组外施电压中含有谐波分量时，电动机损耗增加，包括铜损、铁损和机械损耗，它们是由基波功率转化而来，可归为两类：热损耗和机械损耗。1.热损耗谐波电压在绕组中产生谐波电流，使绕组发热，从而产生热损耗。三相总谐波损耗为:2)2(1212122/322121)(23)(23qeLnnLnULRnULRPP总式中谐波产生的损耗可以用一个基波的负序分量来等效。所以，U1(2)eq称为等值的基波负序电压。它的物理意义是将所有谐波产生的损耗等效于一个基波负序电压产生的损耗，这个电压就是U1(2)eq,相应的负序等效电阻为:224/322/32)2(1)(nnnnqenUnUU221)2(1RRqe2.机械损耗机械损耗是由谐波电流和基波磁场相互作用产生的力矩而引起的。例如5次谐波和7次谐波可以产生一个频率为6f1的扭矩作用在转子上，5次谐波产生附加的减速力矩，而7次谐波产生附加的加速力矩，从而激发汽轮发电机周期性振动，并伴有噪声。如果谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈振动，造成汽轮机的轴和叶片因疲劳而损坏。二、变压器1.增加其铜损和铁损。2.谐波并联谐振会产生过电流，附加损耗增加，降低变压器运行的可靠性。。3.宜采用Δ/Y接线,但Δ应留容量裕度。4.漏磁通产生附加损耗,可能引起严重的局部过热。因此，采用措施来减少漏磁。5.避免谐波串联谐振，串联谐振增加局部放电、加速绝缘老化。严重时还会发生绝缘击穿事故。三、电力电容器电力电容器受谐波危害最大，主要表现在两个方面:(l)增加介质损耗，使电容器温升增高，降低其寿命；(2)引起或加强介质内部的局部放电，使绝缘老化，甚至击穿。1.发热问题:电容器由金属极板和绝缘介质所组成。C中的有功损耗按下式计算:nnnnnUωCnPPtg2111式中:—各种谐波频率下的介损因数。电容器随介质材料温度和频率变化而变化，在一定条件下，随频率增加而增加。谐波损耗与谐波次数n成正比；高次谐波的含量越大，产生的损耗也越大；nδtgnδtgP电容器在设计中为了获得较高的比特性，结构十分紧凑，散热条件较差，而使由谐波等因素产生的热量不易散出；温度升高后又引起介损增加，进一步促进温升提高，如此形成恶性循环，最后可能导致热击穿。2.局放问题：电容器在制造中，由于各种原因，在绝缘内部形成气泡。正常运行电压下，气泡不会放电，或只有少量的气泡放电，对电容器的运行不会产生很大的影响。如存在谐波电压，气泡中可能放电，放电过程就不会熄灭而将持续下去，并不断扩大。气泡中的放电产生热的、化学的、机械的效应对绝缘具有很大的破坏作用。运行经验表明:电容器中的局部放电是造成电容器损坏的重要原因。局部放电产生的带电离子增加了介质中的电导，使谐波电流损耗进一步增加，最终也将导致电容器因温度过高而破坏。因此，电容器是受谐波危害最大的一种电气设备。据统计，由于谐波而损坏的电气设备中，电容器约占40%。3.谐波含量的限值问题(1)国家标准中对电容器过载能力的规定:(2)如何确定谐波含量的容许值。①根据介质损耗的条件确定容许谐波含量。设只含3次和5次谐波，且含量相等，均达到最大值D3m=D5m=Dim。则基波电流和总电流也达到最大值，即：CNCII3.1CNCUU1.1212152132125232121)()(mimmCDIIDIDIIIIICNCNCIUUI11CNmiCNCNCIDIUU3.12121因为所以故可得出按最大介质损耗确定的容许谐波电流含量为:]1)3.1([2121CCNmiUUDKUUCNC1]1)3.1([212KDmi令，则（1）②.按局部放电条件确定容许谐波含量。假设谐波电压只含3次和5次谐波，且含量分别为Dim/3和Dim/5,基波电压和谐波电压同时达到最大值，则电容器上的最大电压幅值为：)1581(2)51311(211imCimimCCmDUDDUU只有当UCm小于UCq时，电容器才不会形成持续的局部放电,UCq定为额定电压的1.2倍，则:由此得出按局部放电条件确定的容许电流谐波含量为CNmiCmCUDUU22.1)1581(21)12.1(815KDmi（2）两曲线的交点A对应的K=0.82图3-5谐波电流含量容许值和K的关系1—按式(1)计算；2—按式(2)计算当K0.82时应按局部放电条件确定电容器的容许谐波含量；当K0.82时，则应按介质损耗条件确定容许谐波含量。CNCUUK1第三节谐波对二次设备骚扰的评价谐波对二次设备的主要影响是骚扰其正常的工作状态。诸如测量的准确度，动作可靠性等。一、对测量仪表的骚扰1.电磁式电压表的频率特性最差。畸变波形下电压表的误差与频率特性间的关系:%1002323222121UUUU式中:—畸变波形下电压表的相对误差；U—畸变波形下电压的有效值；U1、U2、…—各次谐波分量电压的有效值；、、…—各频率特性决定的各次谐波频率下的相对误差。显然，畸变波形下的相对误差，不仅决定于频率特性，还取决于谐波的含量。122.感应式仪表受谐波的影响较大感应式仪表主要用于电度测量。工作原理是转动部分在一个磁通的作用下产生的感应电流(涡流)和另一个磁通相互作用下产生转矩。两个磁通分别由电流回路和电压回路中的电流产生；如果只有一个回路中的电流含有谐波分量时，这个谐波分量电流不会和另一回路中的基波电流产生稳定的转矩；由于感应式电压表的铁磁元件具有非线性特性，使得在输入纯正弦波形的工频电压和电流时，电压表的绕组及转盘中仍会存在一些谐波成份；这些谐波分量就会和另一绕组中所包含的谐波相互作用产生转矩，从而增加或减少测量读数。3.电量计算不合理现象谐波源消耗功率:P1=基波功率-谐波功率负载消耗功率:P2=基波功率+谐波功率基波功率基波功率负载谐波源谐波功率4.解决的办法:(1)采用具有窄频带特性的功率表(或电度表)，只反映基波成分。(2)设置谐波功率流向仪，给出谐波的流动方向，以便公平合理地计算电能。二、对继电保护装置的骚扰谐波对继电保护的骚扰分故障和非故障两种情况。1.故障情况下的骚扰2.非故障情况下的骚扰1.故障情况下的骚扰(1)距离保护:谐波的出现会引起很大的测量误差。严重时可能拒动或误动。采用数字式阻抗继电器，用数字滤波的办法消除谐波的影响，取得较好的效果。(2)高阻接地故障:因故障电流中的谐波含量较大，如没有滤波装置，误动作可能性较大。2．非故障情况下的骚扰(1)变压器空载合闸时励磁涌流的影响一次电流中含有大量的谐波分量，且直流分量使CT铁芯饱和，以致二次电流的波形严重畸变和Im可能超过过流继电器的整定值而误动。对于变压器的差动保护:空载合闸时二次侧开路，一次、二次侧电流的严重不平衡也会使其动作。一般是采用动作延时的办法解决，但会使变压器内部故障因延时跳闸而扩大。(2)晶体管保护在运行中仍会发生因谐波骚扰而误动作第四节谐波对用电设备的影响谐波对用电设备的影响表现在：增加损耗；降低寿命；使其运行性能劣化。一、可控硅整流设备可控硅的触发装置是依靠交流电压过零时产生的尖脉冲来控制点火时延的。畸变电压波形可引起触发脉冲间隔不等，使整流器的工作不稳定；对逆变器则会发生连续换相失败而无法工作。可控硅原件是一种对温度以及和都很敏感的元件，在含量较大的高次谐波电流和电压的作用下，可遭到破坏。tdidtdud二、照明负载普通白炽灯的灯丝使用寿命与灯丝温度的最大值有关。图3-7绘出灯丝使用寿命的最大降低率与电压畸变率的关系曲线，其中横坐标