低壓供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波危害

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低壓供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波危害

一、引言

諧波的產(chǎn)生與危害各類(lèi)電工基礎(chǔ)理論早已有過(guò)研究及論述，由于電子裝置還未廣泛和大量應(yīng)用，諧波的污染還不明顯，也未引起人們的重視。隨著近年電子技術(shù)的在玻璃行業(yè)的廣泛大力推廣，特別是變頻、軟起動(dòng)、不休止電源、整流、可控硅開(kāi)關(guān)裝置在拖動(dòng)，電加熱、水泵，風(fēng)機(jī)上大量應(yīng)用，給生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利，特別是變頻器的卓越性能,在工控中不斷受到人們的青睞，節(jié)能效果更是了得。但是隨之產(chǎn)生的諧波問(wèn)題在供電系統(tǒng)中的逐步暴露了出來(lái)，為什么計(jì)量?jī)x表抖動(dòng)失準(zhǔn)，簡(jiǎn)單損壞，斷路器簡(jiǎn)單燒損觸頭、電容器鼓肚、PT絕緣擊穿、低壓電力電纜零線易發(fā)熱擊穿造成相間短路，電動(dòng)機(jī)繞組局部發(fā)熱擊穿短路和壽命降低，給生產(chǎn)給設(shè)備造成了不可估量的損失，這些奇怪現(xiàn)象不得不引起我們注意，摸索及去尋求合理的解決方法。據(jù)本供電系統(tǒng)中在裝有上述設(shè)備以后的諧波計(jì)算與分析狀況看，其中大部分設(shè)備運(yùn)行中有3，5、6、7、9、次諧波注入系統(tǒng)，個(gè)別設(shè)備還有11、13次諧波產(chǎn)生。由于高次諧波對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行具有十分的危害性，電機(jī)局部繞組發(fā)熱擊穿短路和壽命降低等問(wèn)題在本電力系統(tǒng)中就時(shí)有發(fā)生，其所造成的損失已不勝枚舉。實(shí)際上，各次諧波危害是有所不同的，是需要進(jìn)行甄別的。

二非正弦波

我們知道，在電力系統(tǒng)中，由電網(wǎng)提供的電能是由發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過(guò)變電裝置，輸電線路向用戶(hù)傳送的。當(dāng)然，我們也總是希望傳送到用戶(hù)的交變電壓電流是正弦波形，正弦電壓表示為：

u（t）=sin（ω+φ）

就電力系統(tǒng)而言，正弦電壓施加在線性無(wú)源電阻，電感和電容上其電壓分別為比例積分和微分關(guān)系。浮現(xiàn)同頻率的正弦波，正弦電壓施加在非線性電路上時(shí)，電流就變成非正弦波，非正常電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降其波形也變成非正弦波。

無(wú)論電壓，電流由于電力系統(tǒng)各類(lèi)參數(shù)變化而如何產(chǎn)生畸變，它們依舊是浮現(xiàn)非正弦周期波形。對(duì)于一個(gè)非正弦周期量u（ωt），利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為各種不同頻率的正弦分量與直流分量：

式中：F0為直流分量，F(xiàn)m1sin(ωt+φ1)為基波分量；Fm2sin(2ωt+φ2)為二次諧波分量，余下類(lèi)推。所有n≥2的各次諧波習(xí)慣上稱(chēng)高次諧波。Fm1﹑Fm2．．．Fmn分別為各次諧波的振幅，φm1﹑φm2…φmn分別為各次諧波的初相角。

從傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中，我們可以看到，諧波是一個(gè)周期電氣量中頻率為大于1的整倍數(shù)基波頻率的正弦分量。由于諧波頻率整數(shù)的高于基波頻率，那么諧波就必定對(duì)基波頻率的電氣設(shè)備產(chǎn)生危害，這是不言而喻的。此外，傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的算式，其最大特點(diǎn)是將電動(dòng)勢(shì)分解為直流分量與各次諧波分量之和。而且級(jí)數(shù)是逐次收斂的，諧波次數(shù)越高，振幅越小。所以﹐在分析諧波時(shí)，高次諧波取到哪一次，還得根據(jù)實(shí)際諧波源產(chǎn)生的諧波狀況確定。

在眾多的電氣工程中，常見(jiàn)的非正弦波基本上由直流分量與諧波分量?jī)刹糠謽?gòu)成，但也有一些波形不含直流分量。我們可從如下圖表中的幾種波形進(jìn)行分析。

從圖表給出的波形分析數(shù)據(jù)我們可以明了的看到，在常見(jiàn)的波形中：

1、盡管波形不同，但在富里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中不同次數(shù)的諧波都有一個(gè)一致振幅Fm為考量。

2、不同的波形，它們的諧波結(jié)構(gòu)是不同的，呈奇次或偶次。

3、隨著諧波次數(shù)增加諧波含量將急劇降低。

4、有了不同波形展開(kāi)式，我們?cè)陔娐分杏?jì)算不同次數(shù)的諧波就簡(jiǎn)單多了。

三三相四線低壓供電系統(tǒng)中的諧波危害

在三相四線低壓供電的電力系統(tǒng)中，已證明為諧波源的大量的電子元件如變流設(shè)備，整流器，逆變器，變頻器，軟起動(dòng)器，晶體管開(kāi)關(guān)電路，各類(lèi)不休止電源，節(jié)能電器．．．參與電力系統(tǒng)，因此低壓電力系統(tǒng)就成了諧波重要滋生源，一部分諧波注入上一級(jí)供電系統(tǒng)，另一部分諧波則就地危害電器設(shè)備。下面我們將在此文中將諧波對(duì)低壓電力電纜危害著重介紹一下，以求摸索更好的防治方法。

零序諧波危害實(shí)例1：

本公司有兩條長(zhǎng)度400M的VLV-3150+150低壓電力電纜，負(fù)荷為水泵。這兩條電纜都是因零線局部發(fā)熱而損壞，第一條電纜上分別掛135KW變頻器1臺(tái)，其次條電纜掛40KW變頻器+40Kw電機(jī)計(jì)2臺(tái)，兩條電纜中線通過(guò)基波電流不過(guò)20安培，中線為什么會(huì)發(fā)熱，因絕緣軟化最終造成相-零，相間短路。這些電纜都是直埋于地下，穿梭于建筑物之間，不可能更換，只能修復(fù)。

經(jīng)核查變頻器的電路是（ＶＳＩ）交－直－交結(jié)構(gòu)，即變頻器電源入口是橋式全波整流。

從本文附表中的全波整流傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中我們就明白得出，全波整流電路可分解出３、６、９次諧波…，而且與我們實(shí)測(cè)結(jié)果無(wú)異。

在對(duì)稱(chēng)的三相電路中，相電壓、電流依次相差２／３角度，以相電壓為例。三相電壓可以表示為：

對(duì)上面的式子進(jìn)行分析，將諧波n為３、６、９時(shí)分別代入式中，此刻出現(xiàn)三相電壓的諧波大小和相位都一致，為零序諧波。在三相對(duì)稱(chēng)的系統(tǒng)中，3的整數(shù)倍諧波是可以自行消除的，無(wú)須考慮的。但是，這些零序諧波在三相四線電路中經(jīng)過(guò)單相負(fù)載支路，是要從中性線中通過(guò)的。而我們也明白：零序諧波頻率都高于基波的，在常規(guī)的設(shè)計(jì)中與制造業(yè)中，電力傳輸線的中性線都是小于相線的，電力電纜的中性線導(dǎo)線截面一般也只有相線截面１／３,就是沒(méi)有考慮諧波的影響。

在趨膚效應(yīng)的作用下諧波高頻電流都擠在導(dǎo)線的表面通過(guò)，從而減少了導(dǎo)體的有效面積，提高了導(dǎo)體電阻。其次，零序電流流過(guò)中性線時(shí)，導(dǎo)體表面的電流密度還要受相線中起它交變電流的影響，這就是著名的鄰近效應(yīng)理論。鄰近效應(yīng)的作用也使得中性線表面局部電流密度增大，中性線總的導(dǎo)電面積進(jìn)一步減少，有效電阻增大，中性線導(dǎo)體局部發(fā)熱就成為可能。這就是中性線在諧波的作用下簡(jiǎn)單發(fā)熱的原因，假使中性線有接頭，中性線發(fā)熱損壞的概率要提高好幾倍。所以在具體的工程中要充分考慮計(jì)算負(fù)載狀況，假使有諧波源的，中性線截面要適當(dāng)加大，也可采相應(yīng)措施減少諧波，必要時(shí)要設(shè)濾波裝置。

從零線的工頻電流來(lái)看，數(shù)值并不是太大，導(dǎo)線卻在發(fā)熱，這是必需引起重視的。說(shuō)明在諧波電流作用下導(dǎo)線載流量已經(jīng)大打折扣，不能再用工頻電流來(lái)衡量了，下表測(cè)到零序電流說(shuō)明問(wèn)題所在了。

諧波危害電纜實(shí)例2：

另一條長(zhǎng)度150M的YJV-3150+170兩條并接低壓電纜，中線流過(guò)的基波電流不過(guò)20安培，是不可能發(fā)熱的，同樣因C相電纜線局部發(fā)熱絕緣層損壞最終導(dǎo)致零-C相，短路,造成其中一條電纜局部損壞。這條電纜上掛有340KW的軟起動(dòng)器，2臺(tái)18KW電機(jī)及部分節(jié)能燈具。總的工作電流約280安培，假使從傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)，相線流過(guò)這么小的電流是導(dǎo)線不會(huì)發(fā)熱的。

我們分析了一下，電路里能產(chǎn)生諧波的只有軟起動(dòng)器，而軟起動(dòng)器的結(jié)構(gòu)是由串接于電源上被控電機(jī)之間三相反并聯(lián)晶閘管，利用晶閘管的開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)調(diào)理晶閘管導(dǎo)通角來(lái)調(diào)理輸出電壓大小進(jìn)行調(diào)壓的，最終達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。軟起動(dòng)器實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般有兩種連接方式：方式1是電機(jī)起動(dòng)工作完成后用外置接觸器動(dòng)觸頭將晶閘管短接起來(lái)，電機(jī)直接全壓運(yùn)行。方式2是電機(jī)軟起動(dòng)后由起動(dòng)器自身保持全壓運(yùn)行。而實(shí)際使用的是方式2的運(yùn)行模式。

由于軟起動(dòng)器所帶的負(fù)載電動(dòng)機(jī)是星形接法的調(diào)壓電路，那么就可以對(duì)負(fù)載的相電壓進(jìn)行傅里葉分解。并寫(xiě)為傅里葉級(jí)數(shù)的形式。以a相電壓為參考，因其波形關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，故不含余弦相。即

軟起動(dòng)器輸入電流基波和各次諧波的含量與起動(dòng)器的結(jié)線方式，負(fù)載類(lèi)型，負(fù)載的連接形式的不同是有區(qū)別的，從以下兩曲線圖比較不難看到：電路控制的三角形聯(lián)結(jié)輸入電流中各次諧波的含量小于與星形聯(lián)結(jié)輸入電流中各次諧波的含量。隨著諧波次數(shù)的增加諧波的含量急劇的在減少，一般來(lái)講，在對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載中，軟起動(dòng)器產(chǎn)生的是奇次諧波，而且含量稍微大的是9次以下諧波。

這些諧波與基波迭加后使波形畸變，波形不再是正弦形狀。輸入電機(jī)后電機(jī)噪音和震動(dòng)明顯變大，由于趨膚效應(yīng)原因電纜的運(yùn)行溫度也提升了不少。

軟起動(dòng)器負(fù)載兩種移相控制三相調(diào)壓電路輸入電流各次諧波

a)三相星形連接b)三相三角形連接

這兩條電纜上正常時(shí)的工頻工作電流310A，實(shí)測(cè)電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)諧波電流：5次88.5A,7次32.1A,11次24.4A。

四消除諧波的措施

消除諧波的方法：

1）消除諧波對(duì)設(shè)備危害,采取那個(gè)方式更為簡(jiǎn)便,更為經(jīng)濟(jì)呢?毫無(wú)疑問(wèn)是將產(chǎn)生諧波的電子裝置在完成任務(wù)后盡快退出工作,完全消除諧波源。為此，我們對(duì)軟起動(dòng)器工作電路進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，給軟起動(dòng)器加了一個(gè)交流接觸器，利用接觸器的主觸頭，在起動(dòng)器完成起動(dòng)任務(wù)后將其短接起來(lái)，使其退出運(yùn)行。這就有效的減少諧波的產(chǎn)生，不用說(shuō)，這個(gè)效果還不錯(cuò)。最直接的收效是電機(jī)電磁噪音，震動(dòng)，發(fā)熱量，明顯降低。修復(fù)后的電源電纜工作溫度降低15C左右，運(yùn)行正常。

2）由于中線的零序諧波是從相線上分流過(guò)來(lái)的。3的整倍數(shù)諧波大部分在三相電路中會(huì)自然消除,由于不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷的影響才產(chǎn)生分流，因此，對(duì)于3的整倍數(shù)諧波亦即零序諧波最好方法是使它們留在三相電路里，少向中線分流,這么一來(lái)中線因諧波發(fā)熱問(wèn)題就會(huì)減輕大量。

電纜中線上的零序電流限制或分流方法是：在電纜中線末端串上一個(gè)電抗器，以此來(lái)增加中線阻抗并達(dá)到限制諧波流入量。為了便于分析與計(jì)算，我們不妨用虛擬方法將三相四線中的某一相線與中性線的自身阻抗視為電路中并列運(yùn)行的兩個(gè)阻抗Z1與Z2，XL是待加串在中線上的限流電抗。

核查VLV22-3150+150電纜相線阻抗:X1=0.063mΩ/m400m=25.2mΩR1=0.256mΩ/m400m=102.4mΩ中線阻抗X2=0.170mΩ/m400m=68mΩR2=0.768mΩ/m400m=307.2mΩ

計(jì)算步驟一：經(jīng)計(jì)算整理后得:Z1=105.45mΩZ2=314.63mΩ

已實(shí)測(cè)得最大中線零序電流：I2=55.1（A）

據(jù)并聯(lián)阻抗分流原理求得I=218.65（A）I1=163.55（A）

計(jì)算步驟2：計(jì)算XL的最正確值

從運(yùn)行的可靠和安全度來(lái)考慮，中線的諧波載流量不超過(guò)導(dǎo)線額定值的1/3較適合，同時(shí)要兼顧基波電流的迭加因素。因此中性線為50mm2的諧波可靠載流量定為In=30A，以此找出分流作用的電抗XL。在這里將串入XL后的中性線阻抗寫(xiě)為:

由于是要在電纜中線上串電抗器，目的是對(duì)諧波進(jìn)性分流，阻流，以減少中線諧波的流入量。對(duì)電抗值的誤差要求不是太高，因此電抗的無(wú)功容量也無(wú)須過(guò)大，幾乎不會(huì)消耗好多能量。因而選L=1.7mH,Q≥1KVAR即可滿(mǎn)足要求。在實(shí)際的運(yùn)用過(guò)程中，很難按計(jì)算的結(jié)果選購(gòu)電抗器，而須定制。市面上常見(jiàn)的用樹(shù)脂澆絕緣的XD1型電抗器體積就十分小，選擇容量的范圍比較寬，安裝十分便利。我們按要求選用了XD1，很便利的裝了上去。最終測(cè)試：中線零電流下降值20A，收到了預(yù)期效果。

五結(jié)語(yǔ)：

當(dāng)今，國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，不同的行業(yè)都在加速大量使用電力電子裝置，以及發(fā)生諧波的其它電器裝備，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題，嘗到了諧波危害的苦頭，使我們深深感到諧波的綜合治理已迫在眉睫。我們知道解決諧波污染問(wèn)題的基本方法無(wú)非有兩條，一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波都適用的；另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波。對(duì)于后一條，目前依舊是一個(gè)艱難的需要長(zhǎng)時(shí)間來(lái)解決的問(wèn)題。務(wù)實(shí)的方法是因地制宜，根據(jù)本電力系統(tǒng)的實(shí)際研究解決諧波問(wèn)題。

對(duì)諧波的治理，我們也僅僅是在開(kāi)頭，