諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害及預(yù)防措施

1、本文格式為Word版，下載可任意編輯諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害及預(yù)防措施 隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的不斷提高，半導(dǎo)體器件的問(wèn)世進(jìn)展，特殊是大型可控硅及逆變器等非線性負(fù)載的逐步增多，而這些非線性負(fù)載能把高次諧波電流注入電網(wǎng)。從而引起電網(wǎng)系統(tǒng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，使電網(wǎng)受到嚴(yán)峻污染。高次諧波就是頻率為基數(shù)倍的一系列波的“總匯”。工頻系統(tǒng)的二次諧波頻率為100HZ，三次諧波的頻率為150HZ，依次類推。電力系統(tǒng)中高次諧波與基波合成的結(jié)果是造成電網(wǎng)電壓波形畸變的主要因素，高次諧波的畸變次數(shù)及振幅值的大小，將打算對(duì)電網(wǎng)污染，破壞的程度，及對(duì)用電設(shè)備的危害大小。高次諧波最主要來(lái)源于：個(gè)人計(jì)算機(jī)，各種硅整流設(shè)備、含有

2、二極管（電容式）電源設(shè)備、電弧爐設(shè)備、中頻電源設(shè)備、各種變頻逆變器、斬波器等裝置。其中對(duì)電網(wǎng)污染最重、對(duì)用電設(shè)備危害最大的當(dāng)屬可控硅中頻電源和煉鋼用的電弧爐設(shè)備。下面主要爭(zhēng)論高次諧波的危害及預(yù)防措施。一高次諧波對(duì)各種電氣設(shè)備的危害：非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，能夠在電力系統(tǒng)的某些設(shè)備上明顯的反映出來(lái)，常見(jiàn)的有變壓器和中性線。在電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和移相電容器中也有些表現(xiàn)。由于電壓畸變，所含的高頻成份將造成發(fā)電、輸電、變電、配電和用設(shè)備過(guò)熱、損耗增大、系統(tǒng)過(guò)電壓、失控等。工頻電流在輸電導(dǎo)線截面內(nèi)是勻稱分布的，而高頻電流則產(chǎn)生嚴(yán)懲的趨膚效應(yīng)，使導(dǎo)線有效電阻增大。如300mm2導(dǎo)線，通過(guò)工頻電流時(shí)，靠近中心

3、一半工半面積上的電流密度為平均值的90%，表面一半面積上為100%，這時(shí)，電流密度為平均值的90%，表面一半面積上為110%，這時(shí)，電流在導(dǎo)體上的總的損耗為內(nèi)外兩部分之和。Ii2Ri+I02R0=(0.9/2)I)2.2R+(1.1/2)I)2.2R=1.01I2R隨著頻率的上升，趨膚效應(yīng)也越來(lái)越加顯著，有效電阻也越大。300HZ時(shí)為1.21倍，420HZ時(shí)為1.35I2R。由于電流波形畸變，流過(guò)導(dǎo)體的電流除基波外，又增加了高次諧波電流重量。接有大量非線性負(fù)載的電網(wǎng)損耗將增大，導(dǎo)體發(fā)熱更加嚴(yán)峻，系統(tǒng)用電設(shè)備也將工作不穩(wěn)定等。中性線：在三相四線制系統(tǒng)中，中性線將受到接在相電壓上的非線性負(fù)載的影響

4、。在正常狀況下，三相線性負(fù)載平衡時(shí)，中性線的電流為零。當(dāng)存在非線性負(fù)載時(shí)，某些高次諧波即奇次諧波會(huì)在中性線里疊加起來(lái)。如由三次諧波序列構(gòu)成的負(fù)載電流越來(lái)越多時(shí)，更多的未被抵消的電流將會(huì)在中性線中流淌。在這種狀況下，中性線的過(guò)電流還會(huì)在中性線和接地線間產(chǎn)生高于正常的電壓迭落。旭果中性線電流特殊大，甚至超過(guò)其導(dǎo)線額定電流的80%，則必需要切除部分次要負(fù)載，否則就必需增加中性線的截面積。電力線路，當(dāng)諧波電流通過(guò)架空線時(shí)，可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振，甚至造成危急的過(guò)電壓。電力電纜在諧波電壓作用下，其絕緣材料會(huì)因所含的少量氣體電離并經(jīng)一毓電氣、機(jī)械、物理和化學(xué)變化而加速老化。絕緣強(qiáng)度降低，泄漏電流增大，使壽命縮短

5、。如正常工頻電流電壓下，壽命為25年，而在含有五次、七次諧波電流電壓作用下，壽命僅為9年。諧波的危害可見(jiàn)一般。高頻大幅度諧波還可能引起局部放電，產(chǎn)生內(nèi)部擊穿狀況。實(shí)例1，我廠總降至鋼爐變壓器6KV油浸紙絕緣電纜，是80年前后鋪設(shè)的。該電纜于93年5月起，多次發(fā)生短路故障，最近的一次時(shí)間間隔為1個(gè)月。測(cè)試中發(fā)覺(jué)該電纜絕緣降低，泄漏增大，現(xiàn)在該電纜已報(bào)廢。電弧爐即上述提到產(chǎn)生高次諧波的設(shè)備之一，是造成該電纜提早退出運(yùn)行的緣由。諧波對(duì)變壓器的危害：當(dāng)較高頻率的電流注入變壓器時(shí)，將產(chǎn)生趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加損耗與變壓器鐵芯有關(guān)的鐵損亦有增加。于是變壓器將產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量。假如變壓器一次側(cè)

6、接線為三角形，二次側(cè)接線為星形，那么非線性負(fù)載將使該變壓器承受額外過(guò)熱之害。由于非線性負(fù)載使支路電流含有較多高次諧波電流，而諸奇數(shù)諧波電流不但不能抵消，反而會(huì)疊加，以諧波電流在中性線中流淌。當(dāng)該電流返回星形結(jié)線的二次繞組時(shí)，它被感應(yīng)到角結(jié)線的一次繞組，并形成環(huán)流。這個(gè)環(huán)流成為產(chǎn)生額外熱量的緣由，且對(duì)諧波電流本身產(chǎn)生的熱量起助長(zhǎng)作用。諧波電壓還會(huì)使變壓器激磁電流增大，效率降低，功率因數(shù)變壞。當(dāng)諧波電壓長(zhǎng)期存在且較為嚴(yán)峻時(shí)，將會(huì)危及變壓器主絕緣。對(duì)電容器的危害：由于電力系統(tǒng)線電壓的畸變，電力電容器損耗增加、過(guò)熱。電容器是頻率的敏感元件。電力電容器在電力系統(tǒng)中猶如一個(gè)諧波汲取器，將使電容器嚴(yán)懲過(guò)電流

7、。電容器和電力系統(tǒng)中的感性元件也能形成諧振電路，假如這個(gè)揩振回路的頻率等于或接近系統(tǒng)中某次諧波重量的頻率，就會(huì)產(chǎn)生諧振，造成過(guò)電壓、過(guò)熱。諧波對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的危害主要是電壓諧波畸變會(huì)使三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，如長(zhǎng)期有諧波存在，將對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壽命構(gòu)成嚴(yán)峻危脅。諧波對(duì)配電盤的危害的基本征兆是發(fā)熱，或是由過(guò)熱造成損壞。在配電盤里，可能消失的過(guò)熱點(diǎn)是中性母線及其連接點(diǎn)，它們往往載有過(guò)量的中性線電流。諧波還會(huì)使各種表計(jì)誤差加大，使電訊線路產(chǎn)生干擾。高次諧波其它危害還有：使半導(dǎo)體器件本身有誤觸發(fā)、丟脈沖等，使電力系統(tǒng)無(wú)功功率增加，功率因數(shù)下降。同時(shí)對(duì)一些電子設(shè)備，儀器也將產(chǎn)生程度不同的影響，以至于不能正常使用

8、。實(shí)例二：筆者于97年，對(duì)我廠北方管件公司6KV電纜進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，發(fā)覺(jué)試驗(yàn)用儀器根本無(wú)法使用，升壓到1KV時(shí)，儀器內(nèi)部愛(ài)護(hù)即動(dòng)作。空機(jī)試驗(yàn)也無(wú)法升壓。當(dāng)時(shí)懷疑儀器本身有故障，可是該儀器在其它區(qū)域測(cè)試時(shí)，一切正常。后來(lái)，又到北方管件測(cè)試時(shí)，一切正常。通過(guò)對(duì)該公司電源質(zhì)量的測(cè)量，發(fā)覺(jué)該電源中工頻電流有嚴(yán)峻的高次諧波，高次諧波是造成電子設(shè)備無(wú)法正常工作的主要緣由。后期對(duì)高次諧波的產(chǎn)生，做出了相應(yīng)的預(yù)防措施。二 高次諧波的防止對(duì)策：綜上所述，大量非線性負(fù)載的授入，溝通工頻電流將成為含有高次諧波的畸變電流，它們流經(jīng)電源和系統(tǒng)中的阻抗時(shí)，使供電電壓波形發(fā)生畸變，這給電網(wǎng)及系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備、儀器帶來(lái)很大

9、的危害，因此，討論抑制消退電力系統(tǒng)中的高次諧波，確保電力系統(tǒng)免遭污染侵害是非常必要的。消退或抑制諧波的對(duì)策可以兩方面考慮。一是從非線性負(fù)載本身入手，使它們盡可能削減諧波電流的注入量。二是設(shè)法轉(zhuǎn)變系統(tǒng)中諧波電流的流向，以消退和防止諧波的影響。通常的做法有：1在非線性負(fù)載回路增設(shè)諧波濾波器。主要適用于可控硅整流裝置，中頻電源裝置及各種電子逆變器等。濾波器可以對(duì)某些諧波產(chǎn)生劇烈的汲取作用，以削減諧波電流有含量。采納單調(diào)諧濾波器可以對(duì)513次諧波進(jìn)行濾波，對(duì)17次以上的諧波則應(yīng)采納高通濾波器結(jié)線。2對(duì)非線性負(fù)載的供、配電回路要分開(kāi)獨(dú)立設(shè)置，供電電變壓器必需使用Y/接線方式，即一次側(cè)為Y接，二次側(cè)為角接

10、。其它用電設(shè)備不宜與非線性負(fù)載共用一臺(tái)供電變壓器，如從經(jīng)濟(jì)角度考慮，需用一臺(tái)變壓器供電時(shí)須對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流成份予以防治，以確保其它用電設(shè)備的牢靠、平安使用。3對(duì)變壓器的愛(ài)護(hù)方法愛(ài)護(hù)變壓器的一個(gè)途徑是把變壓器上的負(fù)載量限制在其額定值的某個(gè)百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國(guó)計(jì)算機(jī)和商業(yè)設(shè)備同業(yè)協(xié)會(huì)供應(yīng)的方法。采納這種方法降低額定容量，必需測(cè)量變壓器二次側(cè)各相的有效值和瞬時(shí)尖峰值。這種方法比繁瑣，也不特殊試用。在負(fù)載處安裝諧波濾波器，不但能消退該變壓器的諧波電流，而且可以防止高次諧波串至連接在這個(gè)電力系統(tǒng)上的其它易受影響的用電設(shè)備。也可以采納更強(qiáng)的冷卻方式，以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。4愛(ài)護(hù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方法：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)供電線路電壓諧波畸變率特殊敏感。一般閱歷證明，電動(dòng)機(jī)供電電壓的總諧波的畸變率不應(yīng)超過(guò)5%。為此，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)應(yīng)接在一條獨(dú)立饋線上，其