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電力系統(tǒng)中諧波的危害及管理措施論文
摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、啟輝器、電氣化鐵路和各種電子設(shè)備的大量推廣應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，成為電力系統(tǒng)的一大公害。由于諧波加劇了電網(wǎng)中電壓電流波形畸變水平，導(dǎo)致多種不良效應(yīng)，因此治理諧波污染已成為當(dāng)務(wù)之急。本文介紹了諧波的危害及應(yīng)采取的措施，將諧波電壓抑制在容許的范圍之內(nèi)，以確保系統(tǒng)的運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：諧波的危害;濾波器;諧波頻率
一、諧波的定義
國(guó)際普遍定義諧波為：”諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。
二、諧波的產(chǎn)生
向電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備，叫諧波源。諧波產(chǎn)生的原因主要有：來(lái)自客戶的非線性負(fù)載(包括：變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路);來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備的影響(變壓器中的空載電流、電抗器等)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電氣化鐵路和各種電子設(shè)備的大量推廣應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波，嚴(yán)重污染電網(wǎng)，這已成為電力系統(tǒng)的一大公害。由于諧波加劇了電網(wǎng)中電壓電流波形畸變水平，導(dǎo)致多種不良效應(yīng)。因此治理諧波污染已成為當(dāng)務(wù)之急。
三、諧波產(chǎn)生的危害
(一)諧波可以引起電力系統(tǒng)的諧振
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生諧波時(shí)可以引起電力系統(tǒng)局部的并聯(lián)或者串聯(lián)諧振，將造成系統(tǒng)中變電站內(nèi)的電氣設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電容器、電抗器等設(shè)備發(fā)熱，損壞，加速其絕緣材料的老化程度;造成互感器等設(shè)備損壞;造成斷路器電弧熄滅時(shí)間延長(zhǎng)，影響斷路器的正常開斷容量;造成繼電保護(hù)或自動(dòng)裝置誤動(dòng)作;影響通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量等危害。
(二)造成電容器、電抗器過熱損壞
l、造成電容器過熱損壞
當(dāng)配網(wǎng)系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷比重較大，并聯(lián)電容器組投入時(shí)，當(dāng)電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時(shí)，引起電容器諧波電流嚴(yán)重放大使電容器過熱而導(dǎo)致?lián)p壞。同時(shí)，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電，長(zhǎng)時(shí)間的局部放電也會(huì)加速絕緣介質(zhì)的老化、自愈性能下降，而容易導(dǎo)致電容器損壞。
2、造成電抗器過熱損壞
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧波時(shí)，諧波電流將使電抗器的銅耗增加，導(dǎo)致局部過熱、振動(dòng)，噪聲增大等;諧波電壓引起的附加損耗使電抗器的磁滯及渦流損耗增加，影響電抗器絕緣的局部放電和介質(zhì)增大;勵(lì)磁電流中含諧波電流，引起合閘涌流中諧波電流過大，對(duì)安全運(yùn)行將造成威脅。
(三)造成同步(異步)電動(dòng)機(jī)過熱振動(dòng)
1、造成同步電動(dòng)機(jī)過熱振動(dòng)
高次諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流，使旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵損增加，使同步電機(jī)的阻尼線圈過熱，感應(yīng)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生附加銅損。高次諧波電流還將引起振動(dòng)力矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生周期性變化�；冸妷鹤饔脮r(shí)，電機(jī)絕緣壽命將縮短。
2、造成異步電動(dòng)機(jī)過熱振動(dòng)
異常運(yùn)行時(shí)負(fù)序阻抗很小，相當(dāng)于電機(jī)的起動(dòng)阻抗，所以很小的負(fù)序電壓就會(huì)在電機(jī)中產(chǎn)生很大的負(fù)序電流。負(fù)序電流使繞組銅損局部增大，引起局部過熱，將造成異步電機(jī)的燒毀，同時(shí)，負(fù)序電流產(chǎn)生的反向放置磁場(chǎng)引起電機(jī)振動(dòng)和噪聲。
(四)諧波對(duì)電能計(jì)量裝置的影響
常用電能表計(jì)量不是只計(jì)基波功率，也不是只計(jì)基波和諧波功率，而是介于兩者之間。只計(jì)基波電量，對(duì)非線性用戶將少計(jì)電量，而對(duì)線性用戶多計(jì)電量。基波與諧波綜合作用下的所計(jì)電量，同基波結(jié)論相反。所以為了糾正計(jì)量誤差，在僅計(jì)基波電量時(shí)要求k"=0，考慮基波和諧波電量時(shí)要求k"=l。
諧波電流還能引起三相四線回路中的中性線超載。過去非線性負(fù)載較少，人們不重視諧波超載的危害，普遍認(rèn)為三相四線回路內(nèi)的中性線只通過三相不平衡電流，其值甚小，中性線截面只取相線截面的1/2甚至1/3。但在現(xiàn)時(shí)諧波電流特別是三次諧波電流大增的電氣回路中，這一做法將造成中性線的嚴(yán)重超載。中性線嚴(yán)重超載使絕緣劣化變色的隱患現(xiàn)象屢見不鮮，由此引起的電氣短路火災(zāi)事故也屢有所聞，為此我國(guó)電氣設(shè)計(jì)規(guī)范已規(guī)定有放大中性線截面的要求。
四、仰制諧波的措施
(一)廣泛采用濾波器，仰制諧波源
抑制電力系統(tǒng)的諧波，在諧波源處采取抑制措施是最有效的。依據(jù)諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定，采取必要的措施來(lái)限制諧波注入電網(wǎng)的諧波電流，將諧波電壓抑制在容許的范圍之內(nèi)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。濾波器是利用電容、電感和電阻構(gòu)成串聯(lián)諧振的原理，在諧振頻率處形成接近于零的低諧波阻抗，如三次諧波濾波器，調(diào)諧至三次諧波頻率處的阻抗接近于零。此時(shí)諧波電流均從濾波器的低阻抗中分流，從而抑制注入電力系統(tǒng)的諧波電流。在諧波源處裝設(shè)濾波器是很普遍的措旆，一般應(yīng)用的無(wú)源濾波器和新開發(fā)的有源濾波器均在使用。
濾波器有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器。單調(diào)諧濾波器用于吸收單一次數(shù)的諧波。雙調(diào)諧濾波器用于吸收兩個(gè)次數(shù)的諧波，用于濾除特定頻率處的諧波，即為電容、電感的串聯(lián)諧振電路。高通濾波器用于吸收某一次數(shù)及以上的各次諧波。
有源濾波器利用開斷晶閘管構(gòu)成整流電路，來(lái)達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康�。有源波波器�?shí)際上是一個(gè)特殊的諧波源，其用來(lái)抵消負(fù)荷諧波�；窘Y(jié)構(gòu)可分為五部分;諧波電流檢測(cè)部分用于檢測(cè)負(fù)荷電流中的諧波成分;控制系統(tǒng)將檢測(cè)負(fù)荷諧波電流與逆變器的輸出電流相比較，發(fā)出諧波電流控制投切信號(hào);逆變器將直流電源的直流電流或直流電壓轉(zhuǎn)換成寬度可以調(diào)制的高頻脈沖電流;直流電源做為逆變器的工作電源使用;輸出部分將逆變器輸出的寬度不等的高頻脈沖，用濾波器濾除其高次諧波成分，得到與負(fù)荷諧波電流畸變波形相等且反相位的補(bǔ)償電流。
(二)改造換流設(shè)備，消除諧波影響
目前大型換流裝置一般用24相整流，個(gè)別有48相整流。相數(shù)太多，降低諧波效果又并不太明顯，反而使設(shè)備復(fù)雜化，經(jīng)濟(jì)上不一定合算。所以適當(dāng)增加脈沖數(shù)能減小諧波電流。如兩個(gè)6個(gè)脈沖三相整流橋，分別用Y，y12和Y，dll的電源變壓器移相30。，組合成12相換流器。
交流電壓變化一個(gè)周期時(shí)，直流電壓的脈動(dòng)周波數(shù)(脈沖數(shù))由兩個(gè)移相30。的6脈沖迭加為12脈沖。兩6脈沖換流器原有的n=12m+5和n=12m+7 (m=0，l，2，3…)次，如5、7、17、19.-次諧波全部成對(duì)抵消，這些諧波僅在6脈沖整流橋的一次側(cè)形成環(huán)流，而不注入系統(tǒng)。用此種方法改造換流設(shè)備投資不多，而對(duì)消除諧波十分有效。
(三)串聯(lián)電抗器抑制諧波
當(dāng)并聯(lián)電容器組附近有諧波源，諧波電流超過規(guī)定允許值時(shí)，應(yīng)在回路中設(shè)置串聯(lián)電抗器的抑制諧波電流，并限制合閘時(shí)的涌流。一般電網(wǎng)中以5次諧波為大，電抗器電抗率常取6%，若用于抑制3次諧波電流，則取13%。但在基波情況下，并聯(lián)電容器組的補(bǔ)償無(wú)功作用分別要抵消6%和13%。為此，電抗率也有取5%和12%，分流濾波的作用較好，電抗率4.5%和11.5%的濾波效果更好。
諧波造成的危害是眾所周知的，是全世界共同存在的問題，治理諧波一要大家共同努力，二要研制新的仰制諧波的措施和設(shè)備。抑制諧波各國(guó)科學(xué)家進(jìn)行了富有成效的研究，取得了令人興奮的成果，隨著科技不斷向前發(fā)展，抑制諧波的設(shè)備、設(shè)施會(huì)不斷出現(xiàn)，應(yīng)用于實(shí)際工作中，減小或消除諧波的危害程度。
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