电力系统中的谐波污染问题与控制措施

　　摘要:随着工业、农业和人民生活水平的不断提高,电能需求成倍增长,对供电质量及供电可靠性的要求也越来越高。电力系统中的谐波问题也日趋严重。电网谐波使得电压、电流的波形发生了畸变,使电力系统的发、供、用电设备出现许多异常现象和故障,产生了严重的危害和影响。对其进行有效的控制,已成为电力系统安全运行工作的重要内容之一。
　　
　　关键词:电力系统；谐波产生；危害；控制措施
　　
　　1电网谐波的产生来源
　　1.1电源本身产生的谐波
　　发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对均匀一致,以及其他一些原因,致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波,从而产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势,即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然,这样的电源并网时,总电源的电流也将偏离正弦波,即产生谐波,并注入电网。
　　1.2输配电系统产生的谐波
　　输配电系统中主要是电力变压器励磁电流产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,仅含有奇次谐波,以3、5、7次谐波为主。
　　它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大。当输配电系统中存在为数众多的变压器群时,其空载电流谐波就可以汇合成相当大的谐波电流并注入电网中。
　　1.3用电设备产生的谐波
　　1.3.1晶闸管整流设备
　　由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。
　　如果整流装置为单相整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。
　　如果整流装置为三相全控桥6脉整流器,变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流,其中5次谐波电流为基波电流的18.5%,7次谐波电流为基波电流的12%;如果是12脉冲整流器,含有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是最大的谐波源。
　　1.3.2变频装置
　　变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。
　　1.3.3电弧炉
　　根据电弧炉的冶炼要求,在开始的熔化期,其特征是在电极和固态原料之间形成极不稳定的电弧,电弧电流不规则的波动,且三相电流大而不平衡,产生谐波电流,主要是2、3、4、5、7次谐波。此外,三相电流的剧烈波动会造成母线电压的波动和闪变。
　　2谐波对电力系统的危害
　　2.1增加输电线路功耗
　　如果电网中含有高次谐波电流,那么,高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线路是电缆,与架空线路相比,电缆线路对地电容要大10～20倍,而感抗仅为其1/3～1/2,所以很容易形成谐波谐振,造成绝缘击穿。
　　2.2影响电网的质量
　　电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,并使三相交流电的对称性受到影响。如民用配电系统中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中3次谐波的含量较多,使公用电网中性线注入更多电流,造成超载、发热,影响电力正常输送。
　　2.3对电力电容器的危害
　　电容电流IC=VWC,当电网存在高次谐波时,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器,虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。
　　尤其是带有串抗的并联电容器组投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网某些次的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。另外,谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形,电容器与线路电流在某些次谐波形成串联谐振,使尖顶波放大,易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。
　　一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩短1/2左右。因此,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
　　2.4对电力变压器的危害
　　谐波使电力变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。
　　同时由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外,谐波还会导致电力变压器噪声增大。
　　2.5对继电保护的危害
　　如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小,此时,若谐波干扰叠加到极低的整定值上,则可能会引起负序保护装置的误动作,影响电力系统安全。
　　2.6对电动机的危害
　　谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力。
　　2.7对低压开关设备的危害
　　对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多。由此可知,上述三种配电用断路器都有可能因谐波产生误动作。
　　3抑制谐波的技术措施
　　3.1采用交流无源滤波装置
　　将交流无源滤波装置装设在谐波源处(如图1所示),用来吸收谐波源产生的谐波电流,这是防止谐波源向系统注入谐波电流的有效而通用的措施。
　　交流无源滤波装置是通过LC谐振吸收电网中的谐波电流,对固定频率的谐波能够有效抑制,但对于系统结构、参数发生变化,或无源滤波器本身参数变化的,反而还有可能产生谐波放大,并且对电压波动、负序等不能综合治理。
　　                                                 
　　                                                                        图1交流无源滤波器
　　3.2采用静止无功补偿装置
　　对于快速变化的谐波源(例如电弧炉、大型轧机等)除了产生谐波外,还使供电系统的母线电压波动,并带来闪变,有的还造成系统电压三相不平衡,严重地影响公用电网的电能质量。这种情况应采用静止无功补偿装置,如图2所示。主要功用如下:
　　                  
　　                                                                         图2静止无功补偿装置
　　3.2.1这种装置是由电容器与电抗器并联组成,电容器可输出无功功率,电抗器可吸收无功功率,两者结合起来,配合适当的调节装置,就可平滑地改变输出的无功功率,起到补偿无功,提高功率因数的作用。
　　3.2.2通过合理设置无功补偿装置中电感L和电容C,使它在某次频率上产生谐振,从而滤出该频率的谐波,即抑制了该次谐波引起的电压波动和闪变。
　　3.3采用有源滤波器(APF)
　　将有源滤波装置装设在谐波负荷处,如图3所示。图中谐波负荷除了从系统吸取基波电流外,还向系统注入高次谐波电流,即I=(I)1+(I)h。如果电源电压为正弦三相平衡系统,则有源滤波器补偿电流应与负荷高次谐波电流波形相同而方向相反,即If=-(I)h。也就是说,利用有源滤波器中的开关型逆变器跟踪输出等量反向的补偿电流,则由负荷产生的谐波电流就会被有源滤波器抵消,而不会注入系统造成电网公害。如果做到补偿电流等于基波无功分量与谐分量的和,则系统电源仅需提供基波有功分量。
　　与交流无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应性,可自动跟踪补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点。在性价比上较为合理,且滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践中,而我国还仅应用到低压有源滤波技术。
　　                                   
　　图3有源滤波器
　　3.4合理选择变压器额定运行磁密
　　电力变压器在系统中量大、分布广,变压器的励磁电流中的谐波不可忽视。制造厂家为了减小体积、降低成本,其额定运行磁密一般取得较高,在额定电压下已接近饱和。当系统运行电压提高5%左右,励磁电流会增加40%以上,造成谐波电流急剧上升。
　　因此降低变压器的额定运行磁密是降低系统电压谐波水平的措施之一。降低变压器额定运行磁密会增加制造成本,但从变压器运行角度看,可以减少空载损耗和由谐波引起的附加损耗,降低运行费用。因此可以将两者进行技术经济比较,以得出一个合理的变压器额定运行磁密。
　　3.5提高谐波源负荷的供电电压
　　当本级电网容纳不下谐波源负荷的谐波电流,造成电网谐波超出标准允许值时,可考虑改由高一级电网供电,把谐波源负荷接入容量较大的电网,可以容纳较大的谐波电流。
　　例如,一些用户的整流装置经数千米馈线(10kV)供电,且供电母线的短路容量较小,所以由整流装置产生的谐波干扰很大,常使用户附近的用电设备无法正常工作,此时采用高一级电压(35kV)的电网给谐波源负荷供电,就能避免这些问题。
　　3.6避免并联电容器组对谐波的放大
　　并联电容器在一定条件下会产生谐波放大,所以应根据设备情况将并联电容器组的串联电抗器进行适当调整。例如,当仅需要限制合闸涌流时,宜选用电抗率为0.1%～1%的电抗器;为抑制5次及以上谐波电压放大时,宜选用电抗率为4.5%～6%的电抗器;为抑制3次及以上谐波电压放大时,宜选用电抗率为12%～13%的电抗器。