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產(chǎn)品知識

淺談電力系統(tǒng)中諧波的危害及其預(yù)防措施

    高次諧波就是頻率為基波整數(shù)倍的一系列波的“匯總”。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，將決定對電網(wǎng)污染，破壞的程度，及對用電設(shè)備的危害大小。高次諧波最主要來源于：個人計算機、各種硅整流設(shè)備、含有二極管(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。其中對電網(wǎng)污染較重、對用電設(shè)備危害較大的當(dāng)屬可控硅中頻電源和煉鋼用的電弧爐設(shè)備。
高次諧波對各種電氣設(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，常見的有變壓器和中性線。在電動機、發(fā)電機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、配電和用電設(shè)備過熱、損耗增大、系統(tǒng)過電壓、失控等。工頻電流在輸電導(dǎo)線截面內(nèi)是均勻分布的，而高頻電流則產(chǎn)生嚴(yán)重的趨膚效應(yīng)，使導(dǎo)線有效電阻增大。如300mm2導(dǎo)線，通過工頻電流時，靠近中心一般單位面積上的電流密度為平均值的90%，表面一般單位面積上為110%，這時，電流在導(dǎo)體上的總的損耗為內(nèi)外兩部分之和。隨著頻率的升高，趨膚效應(yīng)也越來越加顯著，有效電阻也越大。300HZ時為1.21倍，420HZ時為1.35倍。由于電流波形畸變，流過導(dǎo)體的電流除基波外，又增加了高次諧波電流分量。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)重，系統(tǒng)用電設(shè)備也將工作不穩(wěn)定等。
    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。在正常情況下，三相線性負(fù)載平衡時，中性線的電流為零。當(dāng)存在非線性負(fù)載時，某些高次諧波即奇次諧波會在中性線里疊加起來。如由三次諧波序列構(gòu)成的負(fù)載電流越來越多時，更多的未被抵消的電流將會在中性線中流動。在這種情況下，中性線的過電流還會在中性線和接地線間產(chǎn)生高于正常的電壓跌落。如果中性線電流特別大，甚至超過其導(dǎo)線額定電流的80%，則須要切除部分次要負(fù)載，否則就須增加中性線的截面積，這對三相四線制系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行都是不利的。
    當(dāng)諧波電流通過電力線路的架空線時，可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振，甚至造成危險的過電壓。電力電纜在諧波電壓作用下，其絕緣材料會因所含的少量氣體電離并經(jīng)電氣、機械、物理和化學(xué)變化而加速老化。絕緣強度降低，泄漏電流增大，使壽命縮短。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)部擊穿情況，對電力線路的危害更加嚴(yán)重。
    當(dāng)較高頻率的電流注入變壓器時，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。如果變壓器一次側(cè)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，而且奇數(shù)諧波電流不但不能抵消，反而會疊加，導(dǎo)致諧波電流在中性線中流動。當(dāng)該電流返回星形結(jié)線的二次繞組時，它被感應(yīng)到角結(jié)線的一次繞組，并形成環(huán)流。這個環(huán)流成為產(chǎn)生額外熱量的原因，且對諧波電流本身產(chǎn)生的熱量起助長作用。諧波電壓還會使變壓器激磁電流增大，效率降低，功率因數(shù)變壞。當(dāng)諧波電壓長期存在且較為嚴(yán)重時，將會危及變壓器主絕緣。
    由于電力系統(tǒng)線電壓的畸變，電力電容器損耗增加、過熱。電容器是頻率的敏感元件。電力電容器在電力系統(tǒng)中如同一個諧波吸收器，將使電容器嚴(yán)重過電流。電容器和電力系統(tǒng)中的感性元件也能形成諧振電路，如果這個諧振回路的頻率等于或接近系統(tǒng)中某次諧波分量的頻率，就會產(chǎn)生諧振，造成過電壓、過熱。諧波對感應(yīng)電動機的危害主要是電壓諧波畸變會使三相感應(yīng)電動機過熱，如長期有諧波存在，將對電動機的運行壽命構(gòu)成嚴(yán)重危脅。諧波對配電盤的危害的基本征兆是發(fā)熱，或是由過熱造成損壞。在配電盤里，可能出現(xiàn)的過熱點是中性母線及其連接點，它們往往載有過量的中性線電流。諧波還會使各種表計誤差加大，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)無功功率增加，功率因數(shù)下降。同時對一些電子設(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。
高次諧波的防止對策
    綜上所述，大量非線性負(fù)載的接入致使交流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，使供電電壓波形發(fā)生畸變，這給電網(wǎng)及系統(tǒng)中運行的設(shè)備、儀器帶來很大的危害，因此，研究抑制消除電力系統(tǒng)中的高次諧波，確保電力系統(tǒng)免遭污染侵害是十分必要的。消除或抑制諧波的對策可以兩方面考慮。一是從非線性負(fù)載本身入手，使它們盡可能減少諧波電流的注入量。二是設(shè)法改變系統(tǒng)中諧波電流的流向，以防止諧波的影響。通常的做法有：
    a.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。濾波器可以對某些諧波產(chǎn)生強烈的吸收作用，以減少諧波電流有含量。采用單調(diào)諧濾波器可以對5～13次諧波進行濾波，對17次以上的諧波則應(yīng)采用高通濾波器。
    b.對非線性負(fù)載的供、配電回路要分開獨立設(shè)置，供電變壓器須使用Y/△接線方式，即一次側(cè)為Y接，二次側(cè)為角接。其它用電設(shè)備不宜與非線性負(fù)載共用一臺供電變壓器，如從經(jīng)濟角度考慮，需用一臺變壓器供電時須對非線性負(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)備的可靠、安全使用。
    c.對變壓器的保護方法保護變壓器的一個途徑是把變壓器上的負(fù)載量限制在其額定值的某個百分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)。這被稱為降低變壓器額定容量法。這是美國計算機和商業(yè)設(shè)備同業(yè)協(xié)會提供的方法。采用這種方法降低額定容量，須測量變壓器二次側(cè)各相的有效值和瞬時尖峰值。這種方法比繁瑣，也不特別適用。在負(fù)載處安裝諧波濾波器，不但能改善該變壓器的諧波電流，而且可以防止高次諧波竄至連接在這個電力系統(tǒng)上的其它易受影響的用電設(shè)備。也可以采用更強的冷卻方式，以降低變壓器因高次諧波引起的額外的熱量。
    d.保護感應(yīng)電動機的方法感應(yīng)電動機對供電線路電壓諧波畸變率特別敏感。一般經(jīng)驗證明，電動機供電電壓的總諧波的畸變率不應(yīng)超過5%。為此，感應(yīng)電動機應(yīng)接在一條獨立饋線上，其端電壓的畸變就會減少。此外，應(yīng)該采取減少給非線性負(fù)載供電的線路的阻抗的措施，即增大導(dǎo)線截面積。或在非線性負(fù)載處增加諧波濾波器。
 
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