諧波危害及抑制諧波的方法

論文類別:工學論文 > 電力論文
論文作者: 陳振生
上傳時間:2006/3/3 13:21:00

摘要:电網中諧波問題日益嚴重,文章對此綜述了谐波危害及抑制諧波的方法。

關鍵詞:電網 諧波 危害 抑制技術

  隨著電網容量迅速增長,电網運行電壓也不斷提高,國外輸電设備電壓已達1000kV我國從20世紀80年代開始進入大電網時期,輸變設備電壓已达500kV。最近开始西北地區黃河上游水電深度開發,國家電力公司已批準建設第一條750kV輸電線路。
  隨著工業、農業和人民生活水平的不斷提高,除了需要電能成倍增長,對供電質量及供电可靠性的要求也越來越多,電力質量(PowerQuality)受到人們的日益重視。例如,工业生產中的大型生產線、飛機場、大型金融商廈、大型醫院等重要場合的計算機系統一旦失電,或因受電力網上瞬態電磁幹擾影響,致使計算機系統無法正常運行,將会帶來巨大的
  經濟損失。電梯、空調等變頻設备、電視機、計算機、復印機、電子式鎮流器熒光燈等已成為人民日常生活的一部分,如果這些裝置不能正常運行,必定擾亂人們的正常生活。但是,電視机、計算機、復印機、電子式照明設备、變頻調速裝置、開關電源、電弧炉等用電負載大都是非線性負載,都是諧波源,如將這些諧波電流註入公用電網,必然汙染公用電網,使公用电網電源的波形畸變,增加諧波成份。
  近幾年,傳感技術、光纖、微電子技術、計算機技術及信息技術日臻成熟。集成度愈來愈高的微电子技術使計算器的功能更加完美,體積愈來愈小,從而促使各種電器設備的控制向智能型控制器方向發展。隨著微電子技术集成度的提高,微電子器件工作電壓變得更低,耐压水平也相對更低,更易受外界電磁場幹擾而導致控制单元損壞或失靈。例如,20世紀70年代計算機迅速普遍推广,電磁幹擾及抑制問題更是十分突出,一些功能正常的計算機常出現誤動作,而無法找出原因。1966年日本三基电子工業公司率先開發了“模擬脈沖的高頻噪音模擬器”,将它產生的脈沖註入被試計算機的電源部分,結果發現計算機在註入100~200V脈沖時就誤動作,难怪計算機在現場無法正常工作,其原因之一是計算機的電源受到了汙染。因此,受諧波電流汙染的公用電源,輕者幹擾設備正常運行,影響人們的正常生活,重者致使工业上的大型生產線、系統運行癱瘓,會造成嚴重經濟損失。
  國際電工委員會(IEC)已於1988年開始對谐波限定提出了明確的要求。美國“IEEE電子電氣工程師協會”於1992年制定了諧波限定標準IEEE—1000。在IEEEstd.519—1992標準中明確規定了計算机或類似設備的諧波電壓畸变因數(THD)應在5%以下,而對於醫院、飛機場等關鍵場所則要求THD應低於3%。
1 電網諧波的產生
1.1 電源本身諧波
  由於发電機制造工藝的問題,致使電樞表面的磁感應強度分布稍稍偏離正弦波,因此,產生的感應电動勢也會稍稍偏離正弦电動勢,即所產生的電流稍偏離正弦電流。當然,幾個這樣的電源并網時,總電源的電流也将偏離正弦波。
1.2 由非線性負载所致
1.2.1 非線性负載
  谐波產生的另一個原因是由於非線性負載。當電流流經線性負載時,負载上電流與施加電壓呈線性关系;而電流流經非線性負載時,則负載上電流為非正弦電波,即產生了諧波。
1.2.2 主要非線性負載装置
(1)開關電源的高次諧波,它由五部分組成:一次整流、開关振蕩回路、二次整流、負載和控制,這幾個部分產生的噪聲不完全一樣;
  ①一次整流回路噪聲:這是電容輸入型线路,整流脈動電壓要超过C1上的充電電壓,電流才從电源輸入,電流波形呈脈沖形,對這种脈沖狀電流波進行“傅立葉展開”後,可以看到:除了50Hz基波分量外,還有100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz等高次諧波,這些高次諧波電流全部返回到公用電網中,造成公用電網的波形偏離50Hz;
  ②開關振蕩回路:开關三極管T1一般以20kHz以上頻率頻繁通斷,使電路產生高次諧波。其次L1、L2線圈間有漏感,在T1工作時也會形成噪聲;
  ③二次整流回路噪聲:首先,高次諧波流過L2-D5-L4-C2產生噪聲。電流突變過程中在L2、L4上的反電動勢也会形成噪聲;
  ④控制回路噪聲:在完成控制過程也會產生噪聲。
  這幾种幹擾可以通過電源線等產生輻射干擾,也可以通過電源产生傳導幹擾。
(2)變壓器空載合闸湧流產生諧波
  變壓器空载合閘時,可以列出下列方程:
  i0R1+N1=•U1•sin(ωt+α)
  求解後得到:
  Φ1=-Φmcos(ωt+α)+Φmcosα (1)
  Φmcos(ωt+α)——磁通的穩態分量;
  Φmcosα——磁通的暫態分量。
  如果合閘時,α=0(既在μ1=0的瞬間合閘)得到:
  Φ1=Φm-Φmcosωt(2)
  在合閘後半周期(t=)時,磁通達到最大值Φ1=Φ1max=2Φm。
  鐵心中磁通波形對時間軸不對稱,考慮剩磁Φ0,則磁通波形再向上移Φ0,從而使對應磁化曲線工作点移向飽和區,因此在磁通變化時,會產生8~15倍額定電流的湧流,由於线圈電阻R1的存在,變壓器空載合閘湧流一般經過幾個周波即可達到穩定。所產生的勵磁湧流所含的諧波成份以3次諧波為主。
(3)單相電容器組開斷時的瞬態過電壓幹扰:如果t=0時,CB触頭剛分開,弧電壓很低略去,因此電源電壓u與電容電压相等,即u=uc。
  t=t1时,電流為零,電弧熄滅,而電源電壓仍然按正弦變化,經过半周到達正向最大。但是,電容電壓uc=-Um不再變化。斷路器CB觸頭間電壓Uj=U-Uc=2Um。
  當t=t2時,如果此時弧隙介質擊穿,這一過程可以看為Um直流電源经電感L突然加到電壓為-Um的電容上,因分布參數產生高頻振荡,形成高頻電流:
  ic=2•Um•ω0•C•cosω0t,(ω0=)
  電容器上電壓為:
  μc=idt=Um-2Umcosω0t(3)
  因此,高頻電流ic經時间第一次過零時,高頻電流被切斷,電容器上電壓Uc=3Um最大值,如果此時電弧被熄滅,則Uc將保持3Um不變。
  t=t3時,Uj=4Um,此時弧隙又出現擊穿,則電容器電壓可達到5Um值。
  實際上,由於觸頭間距在开斷過程中不斷增加,因此介質強度不斷增大,當介質恢復強度超过電壓增加速度,重擊穿現象中止,完成開斷,所以電容上過電壓倍數不会達到3倍(上面的討論是假設弧隙重擊穿發生在電流過零後10ms,因此恢復電壓達到最大值)。
  用普通断路器投切電容器c1時(c1處於20kV線路),產生1.8(p.u)過電壓,導致諧振,諧振卻又在c2處(c2處於6kV線路)產生高於4(p.u)的過電壓。
  電力電子調速系統普遍應用於工業中改進電機效率及靈活性設備,調速装置內電力電子器件對过電壓特別敏感,因此線路中瞬態過電壓會造成調速系統的過電壓保護誤跳閘。由於与中壓母線相連的電容器要經常操作,這意味著調速系統誤跳閘事故會經常發生;
(4)電壓互感器鐵磁諧振過電壓:在我國10kV、35kV等级的中性點不接地配電網中,為了監視對地絕緣,一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下,三相對地電壓是平衡的,但是由於發生單相接地故障等原因,會導致三相對地電壓平衡的破壞,还有可能使電壓互感器線圈電感L和系統對地电容C在參數上配合,而產生諧振過電壓。我們先看一下,它是典型的L、C并聯電路。xc=,xL=ωL,xc是线性參數,但是xL是非線性參數,其大小與鐵芯飽和程度有關,如發生并聯諧振,則產生較高的谐振過電壓;
(5)整流器和逆变器產生的諧波電壓、电流:整流器的作用將交流電轉成直流電,而逆變器是將直流電轉变成交流電。大功率整流器廣泛應用于冶金、化工等領域,大功率整流器——逆變器廣泛應用於交流變頻調速及交-直流電動機的調速等領域。
  其电路中的二極管視為理想二极管,即正向阻抗接近零,反向阻抗無窮大。因此,只允許電流單方向流動,從整流器的輸出端看,每相電流波形為矩形波,不是正弦波,利用傅氏级數展開式展開周期的矩形波形,可以看到除了工頻正弦波(50Hz基波)外,還疊加了一系列高次波形——諧波。應該說電動機采用变頻器進行調速,可以高水平完成調速外,也可以節省大量電能(近30%),但如前面分析,變頻調速過程中要產生高次諧波,即形成高次諧波汙染,造成廠區的電視、音響系統不能正常工作,還要幹擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作,諧波還要使變壓器、電動机、電容器及電抗器產生過熱。
  這些高次諧波是通過三個途徑竄入产生幹擾的。其一是通過电容耦合;其二是通過高次諧波電流產生的電磁感應;其三是直接由接地回路或電源線窜入的。
(6)電弧爐運行引起電壓波动:隨著冶煉工業的發展,當然會更多地使用電弧爐,這是一個重要負荷。運行時,電极和金屬碎粒之間會發生頻繁断路,而在熔化期間,電源两相短路,一旦熔化金属從電極上落下,電弧熄滅,電源又開路,因此,可以說冶煉過程是频繁的短路-開路-短路的過程,會引起用戶端電壓波動及白熾燈闪爍,一般電壓波動頻率是0.1Hz~幾十Hz,這種諧波是以3次諧波為主。

免费論文下載中心 http://www.hi138.com 2 諧波的危害
2.1汙染公用電網
如果公用電網的諧波特別嚴重,則不但使接入該電網的設備(電視機、計算機等)無法正常工作,甚至會造成故障,而且還會造成向公用電網的中性線註入更多電流,造成超載、發熱,影響電力正常輸送。
2.2影響变壓器工作
  諧波电流,特別是3次(及其倍數)諧波侵入三角形連接的變壓器,會在其绕組中形成環流,使繞組發熱。对Y形連接中性線接地系統中,侵入變壓器的中性線的3次諧波電流會使中性線發熱。
2.3影響继電保護的可靠性
  如果繼電保護裝置是按基波負序量整定其整定值大小,此時,若諧波幹擾疊加到極低的整定值上,則可能會引起負序保护裝置的誤動作,影響電力系統安全。
2.4加速金屬化膜电容器老化
在電網中金屬化膜電容器被大量用於無功補償或滤波器,而在諧波的長期作用下,金屬化膜電容器會加速老化。
2.5增加輸電線路功耗
  如果电網中含有高次諧波电流,那麽,高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。
  如果輸電線是電纜線路,與架空線路相比,電纜線路對地電容要大10~20倍,而感抗僅為其1/3~1/2,所以很容易形成諧波諧振,造成絕緣擊穿。
2.6增加旋轉電機的損耗
  国際上一般認為電動机在正常持續運行條件下,電网中負序電壓不超過額定電壓的2%,如果電網中諧波電壓折算成等值基波負序電壓大于這個數值,則附加功耗明顯增加。
2.7影響或干擾測量控制儀器、通訊系统工作
  例如,直流輸電中,直流换流站換相時會產生3~10kHz高頻噪聲,會幹擾电力載波通信的正常工作。
3 諧波抑制技術
3.1整機電源需留有較大貯備量
  為了使測量、控制裝置能滿足負載较大變化範圍,因此在設計整機電源時,可給予較大貯備量,一般選取0.5~1倍余量;
3.2對幹扰大的設備與測控裝置采用不同相线供電
因為測量、控制裝置的許多幹擾是由電源線竄入的,因此在规劃供電線路時,對幹擾大的設備與測控裝置采用不同相線供电。
3.3将測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開
  將測量、控制装置的供電與動力裝置的供电分開。因為動力裝置的負荷變動大,測量、控制、微機及電视機的負荷小,動力装置產生的幹擾大,供電電源分開後,測量、控制、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離,可以大大減少通過電源線的幹擾。
3.4其余抑制高次谐波的技術
3.4.1 開關電源幹擾的抑制技術
  一般采用的辦法是:電源濾波、屏蔽及減少開關電源本身幹擾能量。
  采用電源濾波器。其中C1、C2具有抑制串模幹擾,L1、L2可以抑制共模干擾,而C4、C3可以抑制串共模幹擾。電源濾波器可以阻止電網中的幹擾進入開關電源,也可以阻止開關電源的幹扰進入電網。
  屏蔽技術可以有效地防止向外輻射幹擾。
  減少開關電源本身幹擾,利用改善線圈繞制工艺,確保繞組之間緊密耦合,以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈,利用流過反向電流時,因磁芯不飽和而產生的較大電勢阻止反向電流上升。
3.4.2 變壓器空載合閘涌流抑止方法
  根據方程(1),如果合閘時,α=(即U1=U1m便合闸),則:
  Φ1=-Φmcos(ωt+)=Φmsinωt(4)
  沒有暫態分量,合閘後磁通立即进入穩定狀態,理論上可以避免沖击湧流過程。
3.4.3 抑制單相電容器組開斷瞬態过電壓方法
  如果采用選相斷路器投切電容器,則可以消除或大大降低投切電容器產生的瞬態過電壓,从而使接在母線上的電力電子調速系統可以穩定地工作,接在母線上的其余設備也可不受過電壓幹擾的影響。
3.4.4 抑制電壓互感器鐵磁諧振方法
  其方法是要使它脫離谐振區。電壓互感器的伏安特性U=f(IL),系統對地電容的伏安特性U=f(IC)和合成伏安特性U=f(IL-IC),在oa區間,合成电流呈容性,合成電流隨電压上升而增加,在ab區間鐵芯飽和導致XL電抗減少(電感电流非線性急劇增長),最後使合成電流仍為容性,合成電流隨電壓上升而減少,所以ab區間是不穩定區間,在b点合成電流為零,這時XL=XC(IC=IL),發生並联諧振。采用中性點不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。
3.4.5 抑止整流和逆變產生的諧波
(1)在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側加裝三只680μf250VAC的電容,(分別接在L-N,L-grond,N-grond上)這種方法可使電磁幹擾電流降至原來的1/10,效果較明顯;
(2)變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜,屏蔽電纜穿鐵管並接地,輸出電纜也穿鐵管並接地,屏蔽層應在接變频器處和電機處兩端都接地。
3.4.6 抑止电弧爐運行時的幹擾
(1)在合適地段加入電容補償裝置,補償無功波动;
(2)可以重新安排供電系统。
4結束語
  隨著非線性電力設備的廣泛應用,電力系统中諧波問題越來越嚴重,一方面造成了電力設備的損壞,加速絕緣老化,另一方面也影響了計算機、電視系統等電子設備正常工作,直接擾亂了人們的正常生活。
  諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設備制造商,諧波問題已引起人們的高度重視。應合理規劃电網,電力電子設備(特別一次設備)應符合電磁發射水平,電子設備、電子儀器应滿足電磁兼容性要求。 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
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