电力系统中谐波的产生、危害及抑制

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第18卷第2期

2003年5月

长沙电力学院学报(自然科学版)Vol.18No.2

JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYOFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)

May2003

电力系统中谐波的产生、危害及抑制

阳若宁

(长沙有色冶金设计研究院,湖南长沙　410011)

整流设备等谐波的产生及其危害作了较全面的分析,对其抑制提出了具体可行的摘　要:对电力系统中变压器、办法.同时给出了应用实例,应用结果表明,三的倍数次谐波得到了有效抑制,这对电力系统及用电单位有一定的参考价值.

关　键　词:谐波;产生;危害;抑制;滤波

中图分类号:TM714　　　文献标识码:B　　　文章编号:100627140(2003)0320049204

TheEmergence,HarmandLimitofHarmonicinElectricPowerSystem

YANGRuo2ning

(ChangshaEngineering&ResearchInstistuteofNonferrousMetallurgy,Changsha410011,China)

Abstract:Theharmonicsandtheirharmscausedbythefollowingfactorssuchastransformersandrectifiersinelectricpowersystemarecompletelyanalyzed.Hence,somespecificandfeasiblemethodsareputforwardtolimittheharmonics.Meanwhile,anexampleinengineeringdesignisgiven.Thethirdtimesharmonicsarelim2ited,whichsupplyreferencestoelectricpowersystemandelectricpowerusers.Keywords:harmonic;emergence;harm;limit;filtering

　　在国际电工标准中定义,谐波为一周期量的正弦波分量,其频率为基波频率的整倍数[1].在用电设

备与电力设备急剧增加的同时,也给电网注入了大量的谐波,造成了很多危害,必须引起我们的高度重视.以下对电力系统中变压器、整流设备等谐波的产生及其危害作出较全面的分析,对其抑制提出具体　　　　　　　　　　收稿日期:2003201215

可行的办法.

1　谐波的产生

谐波的产生来自于3个方面:①发电源质量不高;②输配电系统;③用电设备.

发电源多少会产生一些谐波,但一般来说很少.

作者简介:阳若宁(19632),女,湖南湘潭人,长沙有色冶金设计研究院高级工程师,学士,主要从事电力系统工程的设计与研究.

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输配电系统中主要是变压器产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波.

用电设备中产生的谐波最多,列举如下.

1)　相控晶闸管整流设备.当晶闸管整流装置采用移相控制时,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部份缺角的正弦波.经统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%.2)　变频装置.

变频装置由于采用了相位控制,除含有整次谐波外,还含有分数次谐波.3)　电弧炉.

从电弧炉电流的表达式可看出,电弧炉是一个典型的谐波源.i=sinωt+t+0.01sin4ωt+0.04sin3ωt+0.03sin2ω0.03sin5ωt+0.006sin6ωt+0.01sin7ωt+…,(1)式中　i为电流的瞬时值(A);ω为角频率(rad/s);t为时间(s).

4)　荧光灯等气体放电类光源及家用电器.

器,谐波也使额定电流降低.

5)　对弱电系统设备的干扰.

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备,谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰.

3　谐波的抑制

3.1　电源谐波的治理

随着电力污染问题日益严重,各国纷纷出台治理措施和相关标准,对产生电力污染的设备提出明确的限制.IEEE-519-1992就是应这样的需要而制定的.这个标准最初是由用户和供电部门联合发起制定的,旨在限制过电压和配电系统中的电流畸变.谐波畸变的测试点被称为耦合点或PCC,该点通常位于计量电表处.标准规定在耦合点处,单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%.一方面这可以满足计量电表的精度,另一方面能保证用户系统中负载引起的谐波问题对公用供电系统的影响在可接受的范围.

我国1993年颁布实施了GB/T14549-1993《电能质量・公用电网谐波》,规定电压奇次谐波畸变率<4%,偶次谐波畸变率<4%;注入电网的谐波电流<38A(3次),<61A(5次),<43A(7次)等.对于现有供电网络或待建电网中的电力污染情况,解决的方法有两个:一是局部重组电网结构,分离或隔离产生电力污染的设备;二是使用电源净化滤波设备进行治理,有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围.电源谐波的治理主要有以下手段.

1)　无源滤波.

无源滤波装置是指由无源器件(电感、电容、电阻)构成的谐波治理和无功补偿装置[2],如图1所示.它一般由若干个无源滤波器并联而成,每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗,吸收相应的谐波电流,从而使电网中的谐波电流减少,达到抑制谐波的目的.同时,无源滤波器还能补偿一定数量的无功.虽然无源滤波器具有简单、方便的优点,但它也存在如下主要缺点:①只能抑制固定的几次谐波,并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大;

②只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载不能进行精确补偿;

③重量与体积较大等等.

它们均给电网带来奇次谐波电流.

2　谐波的危害

2.1　对供配电线路的危害

如民用配电系统中的中性线,由于调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中3次谐波的含量可达40%.三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐波电流会在中性线上叠加,使中性线的电流可能超过相线上的电流.2.2　对电力设备的危害

1)　对变压器的危害.

谐波使变压器的铜耗、铁耗及噪声增大.

2)　对电力电缆的危害.由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大,集肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小.3)　对电动机的危害.

谐波使电动机的附加损耗增加,效率降低.4)　对低压开关的危害.对配电用断路器而言,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热;电子型的断路

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所示,在测量完成后便得知电网不同的关键点的谐

波畸变.确定有源滤波器规格时需了解:①要进行补偿的电网系统接线图;②额定电压和频率;③谐波电流;④无功功率.

这种方法与无源滤波相比,有如下显著的特性:①可滤去谐波次数高达50次;②可以选择仅消除谐波操作模式或既消除谐波又进行无功功率补偿的操作模式.

图1　无源滤波器原理

2)　串联电抗器.

为避免电容因谐波电流造成本身的损坏与电网

谐波扩大,常采用串联电抗器的方法来抑制谐波.串联电抗器是根据检测出的谐波情况恰当选择串联电抗器的百分电抗值(电抗器的感抗值XL与电容器的容抗值XC之比的百分数)[3].经过分析计算(略),由主要存在的谐波次数来选择的电抗器的百分电抗值的情况如表1所示.

表1　电力电容器串联电抗器的选择情况

谐波次数n

357

图2　有源滤波器工作原理

≥11

电抗器的百分电抗值(%)

13、156、8、13≥6≥6

　　实测表明,电力电容器引起的谐波电流以5次

和7次为多,因此由表1可选用6%～13%电抗值的电抗器,取

(2)XL=6%XC.而

XC=

图3　有源滤波器的装设位置

2πfnC

XL=2πfnL,

1,(3)(4)

4)　增加整流设备的相数.

式中　fn为n次谐波的频率(Hz);L为电感(H);C

为电容(F).

由式(2)～(4)可计算出f5或f7时所串电抗器的电感量L的大小.

另外,尤其要注意电力电容器串电抗器的谐振特性.如果检测出电网含3次谐波较多,则应使用13%或15%电抗值的电抗器,绝不能使用6%或8%电抗值的电抗器.因为它不但不能抑制谐波,反而还会使谐波扩大.此种方法由于简单便宜,仍在应用.

3)　有源滤波.

有源滤波采用模拟和数字逻辑电路对有谐波的系统进行电流检测和电流注入.具体做法是将有源滤波器与一个含谐波的负荷并联连接,该有源滤波器产生的谐波电流与负荷产生的谐波电流大小相同相位相反,因此电源仅提供负荷基波电流[2].如图2所示.有源滤波器可以在电网的任意点接入,如图3

整流设备所产生的谐波次数是n=N・i±1,式中n为谐波次数,N为脉冲次数,i为≥1的整数.实际应用中有许多采用的是三相全控桥六脉冲整流,若选用十二脉冲整流,其线电流包含的谐波次数是11、13、23、25、…等,而每一谐波分量的幅值是

|I||In|≈fundn,可以发现这比用六脉冲整流有更大的改善.3.2　其它措施

高次谐波对三相变压器的影响取决于变压器绕组的接线方式.对于星/星(Y,y)接线,相电流间的不平衡结果会使星形中性点位移,使相线对中性线的电压不相等,3N倍的谐波电流在原边及付边的相线对中性线的电压上均造成谐波电压并使中性点的电压脉动.在三角形/星形(D,y)变压器里,不平衡电流和3N谐波电流在原边绕组内循环流动而不

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会传到电源系统中去,如图4所示.同时串接入一只测量有效值的电压表,其读数将为

U=3

Uph32+Uph92+…,

式中　Uph3,Uph9分别为3、9次谐波的相电压.

在不接负载情况下,零序组电压将在电源回路中产生环行电流.以三次谐波为例,设每相绕组对三

图4　变压器绕组接线方式

4　应用实例

某钨钼冶炼异型车间有8台250kW的中频烧结

炉和1台250kW的高温烧结炉及约530kW其它负荷,为此,设计选用了2台1600kVA变压器专供中频和高温烧结炉,选用1台630kVA的变压器供其它负荷.因中频和高温烧结炉易产生谐波,故两台1600kVA变压器的接线组别均选用用了(D,yn11),630kVA变压器接线组别用(Y,y)即可.因而在低压配电室进线柜上测出的总谐波电流很小,达到了国家标准IEEE-519.其中奇、偶次谐波畸变率均约为2.5%.在图4中,如果A相电压可以表示为uA=

u(t),则uB=u(t-T/3),uC=u(t-2T/3)

[4]

次谐波的阻抗值为Z3,则三次谐波的环行电流的有

效值为

3Uph3Uph3=.I=

Z33Z3此电流分量在电源每相内阻抗上电压降恰好等

于每相电压的三次谐波分量,所以线电压中就不含有三次谐波.其他零序谐波也一样.在这种情况下,相电压等于线电压,而

Uph=

Uph12+Uph52+Uph72+…,

式中　Uph1,Uph5,Uph7分别为1、5、7次谐波的相电压.

5　结论

随着电力电子设备的广泛应用,电力系统中的谐波分量增大,谐波次数增多,给供配电线路、电力设备等带来危害.抑制谐波有多种办法,无源滤波及串联电抗器虽然滤波效果不很理想,但简单便宜,仍在应用;有源滤波提供一种最有效的从电网中清除谐波的方式,可滤去谐波的次数高达50次,但价格较贵.另外,将电力变压器的接线组别接成(D,yn11)

,因

为变压器磁化电流含有奇次谐波,所以

uA=2U1sin(ωt+Ψ1)+2U3sin(3ωt+Ψ3)+

2U5sin(5ωt+Ψ5)+…,

uB=2U1sin[ω(t-T3

)+Ψ1]+2U3sin[3ω(t-

Ψ3]+2U5sin[5ω(t-T)+Ψ5]+…

2π=2U1sin(ω+Ψ1)+2U3sin(3ωt-t+Ψ3)+

4π2U5sin(5ωt-+Ψ5)+…,

4πuC=2U1sin(ωt-+Ψ1)+2U3sin(3ωt+Ψ3)+

2π2U5sin(5ω+Ψ5)+…,t-3

式中　T为周期;ω=2π/T;Ψ1、3、5分别为正弦电流的初相角.

电源相电压中的零序谐波,例如三次谐波,沿电源回路之和将不等于零(因为它们是同相的),而等于每相电压中该谐波分量的三倍.故若将回路开断,

以及增加整流设备的相数均能抑制谐波污染.本文给出的应用实例证明将变压器的接线组别接成(D,yn11)能抑制3的倍数次谐波.

随着经济的发展及高新技术产品对高质量电能的普遍要求,建设绿色电网将会提到更重要的日程,抑制谐波污染已成为人们的共同奋斗目标.参考文献:

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社,1999.

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[4]邱关源.电路(上册)[M].北京:人民教育出版社,1982.

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