谐波危害及抑制谐波的方法

北极星电力网技术频道作者:3 2007/12/24 10:20:36

关键词: 变压器谐波方法

摘要：电网中谐波方法。要害词：电网谐波危害抑制技术　　随着电网容量迅速增长，电网运行电压也不断提高，国外输电设备电压已达１０００ｋＶ我国从２０世纪８０年代开始进入大电网时期，输变设备电压已达５００ｋＶ。最近开始西北地区黄河上游水电深度开发，国家电力公司已批准建设第一条７５０ｋＶ输电线路。　　随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，假如这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。　　近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，２０世纪７０年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。１９６６年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入１００～２００Ｖ脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。　　国际电工委员会（ＩＥＣ）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“ＩＥＥＥ电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（ＴＨＤ）应在５％以下，而对于医院、飞机场等要害场所则要求ＴＨＤ应低于３％。１　电网谐波的产生１．１　电源本身谐波　　由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，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，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。１．２　由非线性负载所致1.2.1非线性负载　　谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。1.2.2主要非线性负载装置（１）开关电源的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样；　　①一次整流回路噪声：这是电容输入型线路，整流脉动电压要超过Ｃ１上的充电电压，电流才从电源输入，电流波形呈脉冲形，对这种脉冲状电流波进行“傅立叶展开”后，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，还有１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次谐波，这些高次谐波电流全部返回到公用电网中，造成公用电网的波形偏离５０Ｈｚ；　　②开关振荡回路：开关三极管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ以上频率频繁通断，使电路产生高次谐波。其次Ｌ１、Ｌ２线圈间有漏感，在Ｔ１工作时也会形成噪声；　　③二次整流回路噪声：首先，高次谐波流过Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２产生噪声。电流突变过程中在Ｌ２、Ｌ４上的反电动势也会形成噪声；　　④控制回路噪声：在完成控制过程也会产生噪声。　　这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。（２）变压器空载合闸涌流产生谐波　　变压器空载合闸时，可以列出下列方程：　　ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝•Ｕ１•ｓｉｎ（ωｔ＋α）　　求解后得到：　　Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（１）　　Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）——磁通的稳态分量；　　Φｍｃｏｓα——磁通的暂态分量。　　假如合闸时，α＝０（既在μ１＝０的瞬间合闸）得到：　　Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（２）　　在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ。　　铁心中磁通波形对时间轴不对称，考虑剩磁Φ０，则磁通波形再向上移Φ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８～１５倍额定电流的涌流，由于线圈电阻Ｒ１的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以３次谐波为主。（３）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：假如ｔ＝０时，ＣＢ触头刚分开，弧电压很低略去，因此电源电压ｕ与电容电压相等，即ｕ＝ｕｃ。　　ｔ＝ｔ１时，电流为零，电弧熄灭，而电源电压仍然按正弦变化，经过半周到达正向最大。但是，电容电压ｕｃ＝－Ｕｍ不再变化。断路器ＣＢ触头间电压Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。　　当ｔ＝ｔ２时，假如此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为Ｕｍ直流电源经电感Ｌ忽然加到电压为－Ｕｍ的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频电流：　　ｉｃ＝２•Ｕｍ•ω０•Ｃ•ｃｏｓω０ｔ，（ω０＝）　　电容器上电压为：　　μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ（３）　　因此，高频电流ｉｃ经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电压Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，假如此时电弧被熄灭，则Ｕｃ将保持３Ｕｍ不变。　　ｔ＝ｔ３时，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到５Ｕｍ值。　　实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大，当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过电压倍数不会达到３倍（上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后１０ｍｓ，因此恢复电压达到最大值）。　　用普通断路器投切电容器ｃ１时（ｃ１处于２０ｋＶ线路），产生１．８（ｐ．ｕ）过电压，导致谐振，谐振却又在ｃ２处（ｃ２处于６ｋＶ线路）产生高于４（ｐ．ｕ）的过电压。　　电力电子调速系统普遍分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表——压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。　　这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一是通过电容耦合；其二是通过高次谐波电流产生的电磁感应；其三是直接由接地回路或电源线窜入的。（６）电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路－开路－短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是０．１Ｈｚ～几十Ｈｚ，这种谐波是以３次谐波为主。２　谐波的危害２．１污染公用电网假如公用电网的谐波非凡严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，方法　　根据方程（１），假如合闸时，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合闸），则：　　Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４）　　没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。3.4.3抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法　　假如采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。3.4.4抑制电压互感器铁磁谐振方法　　其方法是要使它脱离谐振区。电压互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系统对地电容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ），在ｏａ区间，合成电流呈容性，合成电流随电压上升而增加，在ａｂ区间铁芯饱和导致ＸＬ电抗减少（电感电流非线性急剧增长），最后使合成电流仍为容性，合成电流随电压上升而减少，所以ａｂ区间是不稳定区间，在ｂ点合成电流为零，这时ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），发生并联谐振。采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。3.4.5抑止整流和逆变产生的谐波（１）在变频器前加装电源滤波器。一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的电容，（分别接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的１／１０，效果较明显；（２）变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。3.4.6抑止电弧炉运行时的干扰（１）在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；（２）可以重新安排供电系统。４结束语　　随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化，另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。　　谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（非凡一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。

来源：陈振生

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