諧波的危害和治理

諧波的基本概念

諧波頻率是基波頻率的整倍數,任何周期性非正弦波都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。

一般地講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中,由于對稱關系,偶次諧波已經被消除了,只有奇次諧波存在。對于三相整流負載,出現的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等。變頻器主要產生5、7次諧波。

頻率為基波非整數倍的分量稱為間諧波,有時候也將低于基波的間諧波稱為次諧波。

 基波與3次諧波、5次諧波的波形圖如圖1、圖2所示。

              圖1   基波與3次諧波的波形圖

                  圖2    基波與5次諧波的波形圖

諧波的產生

(1)具有鐵磁飽和特性的鐵心設備

主要為變壓器、電抗器等,此種設備產生的諧波較少。理論上,變壓器正常運行時,本身不產生諧波,但是變壓器磁通達到飽和時,主要會產生3次諧波。

(2)以電弧為工作介質的設備

 如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等。這類負荷諧波含量大,且有低次、偶次諧波。

(3)以電子元件為基礎的開關電源設備

如整流器、逆變器、變頻器、相控調速和調壓裝置、大容量的晶閘管可控開關設備等。

(4)不間斷電源系統(UPS)

大功率UPS是通信電源系統中主要的諧波源,采用可控硅整流是UPS產生諧波的主要原因。UPS生產廠家提供的諧波指標通常是滿載輸出時的數據,而實際情況中UPS不可能運行在滿載狀態下。

諧波的危害

(1)諧波對系統的普遍影響

首先,諧波會增加設備的銅耗、鐵耗和介質損耗進而加劇熱應力,從而運行中需要降低設備的額定出力。其次,諧波還可以使電壓峰值增大,若忽略相位差,則峰值電壓上升的標幺值就等于電壓峰值系數,這種電壓升高會導致絕緣應力升高,最終有可能使電纜絕緣擊穿。最后,諧波還會引起負載設備損壞(這里負載設備損壞廣義的定義為由電壓畸變引起的任何設備故障或工作不正常),并縮短設備壽命。

另外,3倍數次諧波即使在負載平衡的情況下也會使中性線帶電流,并且此電流有可能等于甚至大于相電流。這種情況會導致零地電位差的升高,而且中性線上的開關和電纜等的選取都需要做出適當調整。此外,如果諧波引起了諧振,則極大的諧振電流會在電源系統中引起更大的破壞。

(2)諧波影響柴油發電機組的正常供電

柴油發電機組的內阻相對市電要大得多,諧波所造成的電壓波形失真也大很多。因此,在市電供電時,諧波的影響不易發現;但當油機供電時,諧波對供電系統的影響就會明顯得多,比如使油機輸出的電壓波形出現嚴重失真。這時,如果油機的控制部分對嚴重失真的輸出波形進行判斷,就可能會認為是過壓、超頻等原因,從而造成油機停機;或者使UPS等通信重要負荷不能使用油機電源,而是依靠蓄電池放電供電,如市電停電時間過長,就會造成UPS停機。所以,針對輸入電流諧波含量較大的設備,都要求必須增大油機與設備的配比倍數(即將油機降容使用),即將油機容量加大到設備容量的2~5倍,以減小諧波失真和繞組的發熱等情況。但這種方法的成本是非常昂貴的,而且也不能保證UPS和柴油發電機組的完全兼容,由于柴油發電機組的欠載,還會引出油發電機組運行維護方面的問題。

另外,諧波使發電機的銅損和鐵損增加。當發電機的自然振蕩頻率在脈動磁場頻率附近時,發電機會發生超同步諧振。

(3)諧波對電容器組的影響

諧波對電容器組的影響也比較嚴重,主要有以下幾種情況。

1)電容器由于諧波電流而過載,因為電容器的電抗隨著頻率的升高而減小,這使得電容器稱為諧波的吸收點。同時,諧波電壓產生大電流會引起電容器熔絲熔斷。

2)諧波往往會使介質損耗增加,其直接后果是額外的發熱和設備的壽命縮短。

3)電容器和電源電感結合構成并聯諧振電路,其諧振頻率可以計算得出。在諧振情況下諧波被放大,最終的電壓會大大高于電壓額定值并導致電容器損壞或熔絲熔斷。

(4)諧波對變壓器的影響

諧波環境下的變壓器會受到如下損害。

1)負載損耗增加。負載損耗包括銅耗和雜散損耗(線圈渦流損耗)。雜散損耗是決定由非線性負載引起的變壓器鐵心額外發熱損耗的最重要因素。

2)磁滯和渦流損耗增加。這些損耗會隨著頻率的升高而大大增加,而且由諧波引起的渦流損耗比由諧波引起的磁滯損耗大。

3)變壓器電感與功率因數校正電容器之間可能產生諧振。

4)由于峰值電壓增加而導致絕緣應力增加。

上述損耗會導致變壓器發熱及相應的壽命損失。

(5)諧波對保護裝置、通信電路和電子設備等的影響

諧波還會干擾保護繼電器、測量設備、控制電路和通信電路以及用戶電子設備等,還會使靈敏設備發生誤動作或元件故障。諧波在以下幾個方面影響保護和控制裝置、測量設備、通信電路和電子負載。

1)諧波影響斷路器的開斷能力。

2)受電壓和電流峰值或零值控制的繼電器會受到諧波的影響。在有諧波存在時,機電型繼電器的延時特性會改變。零序電流繼電器不能區分零序電流和3次諧波電流,從而導致誤跳閘。

3)測量儀表對非正弦信號呈現出不同的響應特性,從而導致計量不準確。

4)諧波通過感性耦合干擾電話線路。

5)由于過零點的移動,諧波影響電子裝置和控制電路的正常工作。

6)諧波干擾用戶負載,這對計算機系統特別值得關注。

7)諧波縮短白熾燈的壽命和引起熒光燈的故障。

諧波的治理

諧波的治理應當首先考慮預防,控制好諧波產生的源頭,使系統中產生的諧波盡量減小,就可以更方便的治理或者不用再進行進一步的治理。因此,在選擇設備和構建系統時,就應該將減小諧波做為一項重要的條件來考慮。對于交流和直流兩大類通信電源設備:在其他條件同等或類似的情況下,UPS系統應該優先選擇12脈沖或者Delta變換的設備,直流系統應優先選擇有更好的整流電路和完善的濾波措施的產品。

在通信領域,為了使諧波盡量不對油機等設備的運行產生干擾,為了使整個供電系統更安全可靠,將整個系統中各點的電流諧波含量均控制在5%以內是最佳的選擇。因此,在新建系統時,應對各種設備專門提出諧波指標相關的要求,以保證系統中的諧波在建設時就得到控制。

對于既有的用戶低壓系統來說,由于系統結構已經基本固定,諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補救措施得以控制。

(1)無源濾波

 無源電力濾波器是傳統的補償無功和抑制諧波的主要手段。

無源電力濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。

濾波裝置通常由若干個無源濾波器并聯而成,每個濾波器在一個諧波頻率附件或在某一個頻帶內呈現低阻特性,從而吸收諧波電流,使流入交流系統的諧波電流減小,達到抑制諧波的目的。

濾波器投入電網中工作時,往往與諧波源并聯濾除特定次諧波電流。在基波下,濾波器通常呈容性,除了起濾波作用外,還可兼顧無功補償的需要。

工程上使用的無源濾波裝置一般由一組或數組單調諧濾波器組成,每組單調諧濾波器調諧于需要濾除的諧波頻率上,或者諧波頻率附近。當需要濾除更高頻率的諧波電流而幅值又較小時,可以再加一組高通濾波器。

無源濾波的優點如下:

1)其結構簡單,電壓和容量可以做的很大。

2)在吸收諧波的基礎上還可以補償無功,改善功率因素。

3)設計制造經驗成熟,維護方便,造價低,運行費用也低。

4)對某一次高次諧波的吸收效果明顯。

無源濾波器是通過在系統中為諧波提供一條并聯的低阻通路,其濾波特性由系統和濾波器的阻抗比所決定,因而存在以下缺點:

1)濾波器一旦制成,性能參數難以變動,濾波特性受系統參數的影響較大。當系統參數改變,則濾波裝置有可能失效甚至會引起諧振。因此當電網諧波阻抗降低時,濾波效果將隨之降低;當電網參數不變而諧波電流增加時,可能使濾波器過載。此外,濾波器的電抗電容值通常也會有容差,也會降低濾波效果。

2)只能消除特定的幾次諧波,由于無源元件本身的特性,會與電網阻抗一起作用引起諧振,而對某些次諧波會產生放大作用。當電網短路容量大(即電源阻抗小)時,則要求濾波器阻抗還要更小,即要求濾波器是精確調諧(銳調諧),但由于部件性能的容差和變動使濾波器的設計有很大困難。

3)諧波電流增大時,濾波器負擔隨之加重,可能造成濾波器過載。另一方面,由于濾波支路表現出電容特性,會產生超前的無功電流,如果系統原有的無功含量不大,就會出現無功功率過補償,功率因數可能因此下降,而且會提升電網電壓,這對某些設備也是不安全的。

(2)有源濾波

有源電力濾波器,是采用現代電力電子技術和基于高速DSP器件的數字信號處理技術制成的電力諧波治理專用設備。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流,并將模擬電流信號轉換為數字信號,送入高速數字信號處理器(DSP)對信號進行處理,將諧波與基波分離,并以脈寬調制(PWM)信號形式向補償電流發生電路送出驅動脈沖,驅動IGBT或IPM功率模塊,生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網,對諧波電流進行補償或抵消,主動消除電力諧波。

有源濾波的優點如下:

1)實現了動態補償,可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,對補償對象的變化有極快的響應。

2)可同時對諧波和無功功率進行補償,補償無功功率時不需要儲能元件,補償諧波時所需要儲能元件容量也不大,且補償無功功率的大小可做到連續調節。

3)即使補償電流過大,有源電力濾波器也不會發生過載,并能正常發揮補償作用。

4)受電網阻抗的影響不大,不容易和電網阻抗發生諧振,并能正常發揮補償作用。

5)能跟蹤電網頻率的變化,故補償性能不受電網頻率變化的影響。

6)既可對一個諧波和無功源單獨補償,也可對多個諧波和無功源集中補償。

   諧波治理幾種方法比較如下圖所示。

來源:電氣銷售

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