摘要:隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高,電能需求成倍增長,對(duì)供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越高。電力系統(tǒng)中的諧波問題也日趨嚴(yán)重。電網(wǎng)諧波使得電壓、電流的波形發(fā)生了畸變,使電力系統(tǒng)的發(fā)、供、用電設(shè)備出現(xiàn)許多異常現(xiàn)象和故障,產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害和影響。對(duì)其進(jìn)行有效的控制,已成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行工作的重要內(nèi)容之一。
　　
　　關(guān)鍵詞:電力系統(tǒng)；諧波產(chǎn)生；危害；控制措施
　　
　　1電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生來源
　　1.1電源本身產(chǎn)生的諧波
　　發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱,鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致,以及其他一些原因,致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波,從而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢,即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然,這樣的電源并網(wǎng)時(shí),總電源的電流也將偏離正弦波,即產(chǎn)生諧波,并注入電網(wǎng)。
　　1.2輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波
　　輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器勵(lì)磁電流產(chǎn)生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,僅含有奇次諧波,以3、5、7次諧波為主。
　　它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn),諧波電流也就越大。當(dāng)輸配電系統(tǒng)中存在為數(shù)眾多的變壓器群時(shí),其空載電流諧波就可以匯合成相當(dāng)大的諧波電流并注入電網(wǎng)中。
　　1.3用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波
　　1.3.1晶閘管整流設(shè)備
　　由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用,給電網(wǎng)造成了大量的諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。
　　如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%;接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。
　　如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流,其中5次諧波電流為基波電流的18.5%,7次諧波電流為基波電流的12%;如果是12脈沖整流器,含有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明:由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。
　　1.3.2變頻裝置
　　變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復(fù)雜,除含有整數(shù)次諧波外,還含有分?jǐn)?shù)次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調(diào)速的發(fā)展,對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
　　1.3.3電弧爐
　　根據(jù)電弧爐的冶煉要求,在開始的熔化期,其特征是在電極和固態(tài)原料之間形成極不穩(wěn)定的電弧,電弧電流不規(guī)則的波動(dòng),且三相電流大而不平衡,產(chǎn)生諧波電流,主要是2、3、4、5、7次諧波。此外,三相電流的劇烈波動(dòng)會(huì)造成母線電壓的波動(dòng)和閃變。
　　2諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害
　　2.1增加輸電線路功耗
　　如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流,那么,高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。如果輸電線路是電纜,與架空線路相比,電纜線路對(duì)地電容要大10～20倍,而感抗僅為其1/3～1/2,所以很容易形成諧波諧振,造成絕緣擊穿。
　　2.2影響電網(wǎng)的質(zhì)量
　　電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變,并使三相交流電的對(duì)稱性受到影響。如民用配電系統(tǒng)中的中性線,由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載,會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波,其中3次諧波的含量較多,使公用電網(wǎng)中性線注入更多電流,造成超載、發(fā)熱,影響電力正常輸送。
　　2.3對(duì)電力電容器的危害
　　電容電流IC=VWC,當(dāng)電網(wǎng)存在高次諧波時(shí),通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對(duì)于膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器,雖然允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)損耗功率的1.38倍;對(duì)于全膜電容器允許有諧波時(shí)的損耗功率為無諧波時(shí)的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會(huì)使電容器過電流和過負(fù)荷,使電容器異常發(fā)熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會(huì)加速老化。
　　尤其是帶有串抗的并聯(lián)電容器組投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí),還可能使電網(wǎng)某些次的諧波加劇,即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形,電容器與線路電流在某些次諧波形成串聯(lián)諧振,使尖頂波放大,易在介質(zhì)中誘發(fā)局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強(qiáng)度大,對(duì)絕緣介質(zhì)起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。
　　一般來說,電壓每升高10%,電容器的壽命就要縮短1/2左右。因此,在諧波嚴(yán)重的情況下,還會(huì)使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。
　　2.4對(duì)電力變壓器的危害
　　諧波使電力變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。
　　同時(shí)由于以上兩方面的損耗增加,因此要減少變壓器的實(shí)際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時(shí)需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外,諧波還會(huì)導(dǎo)致電力變壓器噪聲增大。
　　2.5對(duì)繼電保護(hù)的危害
　　如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小,此時(shí),若諧波干擾疊加到極低的整定值上,則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作,影響電力系統(tǒng)安全。
　　2.6對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害
　　諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響,主要是增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗,降低效率,嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過熱。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場,形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩,起制動(dòng)作用,從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。
　　2.7對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備的危害
　　對(duì)于配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱,同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。由此可知,上述三種配電用斷路器都有可能因諧波產(chǎn)生誤動(dòng)作。
　　3抑制諧波的技術(shù)措施
　　3.1采用交流無源濾波裝置
　　將交流無源濾波裝置裝設(shè)在諧波源處(如圖1所示),用來吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流,這是防止諧波源向系統(tǒng)注入諧波電流的有效而通用的措施。
　　交流無源濾波裝置是通過LC諧振吸收電網(wǎng)中的諧波電流,對(duì)固定頻率的諧波能夠有效抑制,但對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)發(fā)生變化,或無源濾波器本身參數(shù)變化的,反而還有可能產(chǎn)生諧波放大,并且對(duì)電壓波動(dòng)、負(fù)序等不能綜合治理。
　　                                                 
　　                                                                        圖1交流無源濾波器
　　3.2采用靜止無功補(bǔ)償裝置
　　對(duì)于快速變化的諧波源(例如電弧爐、大型軋機(jī)等)除了產(chǎn)生諧波外,還使供電系統(tǒng)的母線電壓波動(dòng),并帶來閃變,有的還造成系統(tǒng)電壓三相不平衡,嚴(yán)重地影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。這種情況應(yīng)采用靜止無功補(bǔ)償裝置,如圖2所示。主要功用如下:
　　                  
　　                                                                         圖2靜止無功補(bǔ)償裝置
　　3.2.1這種裝置是由電容器與電抗器并聯(lián)組成,電容器可輸出無功功率,電抗器可吸收無功功率,兩者結(jié)合起來,配合適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置,就可平滑地改變輸出的無功功率,起到補(bǔ)償無功,提高功率因數(shù)的作用。
　　3.2.2通過合理設(shè)置無功補(bǔ)償裝置中電感L和電容C,使它在某次頻率上產(chǎn)生諧振,從而濾出該頻率的諧波,即抑制了該次諧波引起的電壓波動(dòng)和閃變。
　　3.3采用有源濾波器(APF)
　　將有源濾波裝置裝設(shè)在諧波負(fù)荷處,如圖3所示。圖中諧波負(fù)荷除了從系統(tǒng)吸取基波電流外,還向系統(tǒng)注入高次諧波電流,即I=(I)1+(I)h。如果電源電壓為正弦三相平衡系統(tǒng),則有源濾波器補(bǔ)償電流應(yīng)與負(fù)荷高次諧波電流波形相同而方向相反,即If=-(I)h。也就是說,利用有源濾波器中的開關(guān)型逆變器跟蹤輸出等量反向的補(bǔ)償電流,則由負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流就會(huì)被有源濾波器抵消,而不會(huì)注入系統(tǒng)造成電網(wǎng)公害。如果做到補(bǔ)償電流等于基波無功分量與諧分量的和,則系統(tǒng)電源僅需提供基波有功分量。
　　與交流無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性,可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償各次諧波,可抑制閃變、補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn)。在性價(jià)比上較為合理,且濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐中,而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。
　　                                   
　　圖3有源濾波器
　　3.4合理選擇變壓器額定運(yùn)行磁密
　　電力變壓器在系統(tǒng)中量大、分布廣,變壓器的勵(lì)磁電流中的諧波不可忽視。制造廠家為了減小體積、降低成本,其額定運(yùn)行磁密一般取得較高,在額定電壓下已接近飽和。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行電壓提高5%左右,勵(lì)磁電流會(huì)增加40%以上,造成諧波電流急劇上升。
　　因此降低變壓器的額定運(yùn)行磁密是降低系統(tǒng)電壓諧波水平的措施之一。降低變壓器額定運(yùn)行磁密會(huì)增加制造成本,但從變壓器運(yùn)行角度看,可以減少空載損耗和由諧波引起的附加損耗,降低運(yùn)行費(fèi)用。因此可以將兩者進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,以得出一個(gè)合理的變壓器額定運(yùn)行磁密。
　　3.5提高諧波源負(fù)荷的供電電壓
　　當(dāng)本級(jí)電網(wǎng)容納不下諧波源負(fù)荷的諧波電流,造成電網(wǎng)諧波超出標(biāo)準(zhǔn)允許值時(shí),可考慮改由高一級(jí)電網(wǎng)供電,把諧波源負(fù)荷接入容量較大的電網(wǎng),可以容納較大的諧波電流。
　　例如,一些用戶的整流裝置經(jīng)數(shù)千米饋線(10kV)供電,且供電母線的短路容量較小,所以由整流裝置產(chǎn)生的諧波干擾很大,常使用戶附近的用電設(shè)備無法正常工作,此時(shí)采用高一級(jí)電壓(35kV)的電網(wǎng)給諧波源負(fù)荷供電,就能避免這些問題。
　　3.6避免并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大
　　并聯(lián)電容器在一定條件下會(huì)產(chǎn)生諧波放大,所以應(yīng)根據(jù)設(shè)備情況將并聯(lián)電容器組的串聯(lián)電抗器進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如,當(dāng)僅需要限制合閘涌流時(shí),宜選用電抗率為0.1%～1%的電抗器;為抑制5次及以上諧波電壓放大時(shí),宜選用電抗率為4.5%～6%的電抗器;為抑制3次及以上諧波電壓放大時(shí),宜選用電抗率為12%～13%的電抗器。