探討電力系統(tǒng)中諧波污染的危害與治理

王京超

摘要：目前，諧波污染已成為影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一。諧波會影響電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，對諧波污染進(jìn)行有效的治理，對于保證電力系統(tǒng)正常的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。本文介紹了電力系統(tǒng)中常見的諧波污染源種類,分析了諧波污染的危害，并對諧波治理方法進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 諧波治理

一、電力系統(tǒng)中諧波的來源

諧波是指對周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，而基波是指其頻率與工頻相同的分量。就電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓來說，其正常波形是正弦量，即電壓波形基本上無直流和諧波分量。隨著電網(wǎng)中各種電力電子設(shè)備的增加，電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重。諧波會使電網(wǎng)中電壓和電流波形發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量。對電力系統(tǒng)中諧波污染的有效治理，對于保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

電力系統(tǒng)中的諧波主要由非線性或者對電流進(jìn)行周期性開斷控制的電氣設(shè)備產(chǎn)生。電力系統(tǒng)中的諧波源主要有以下兩種：一是具有非線性電流電壓特性的設(shè)備，如感應(yīng)爐、電弧爐、變壓器等。還有就是裝有電力電子器件對電流進(jìn)行控制的設(shè)備，如變流裝置、變頻器、交流控制器等。這些諧波源中，在設(shè)備的電源側(cè)有整流回路的都會產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。在輸出側(cè)的逆變電路中，對于電壓型電路來說，輸出電壓是矩形波。對電流型電路來說，輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負(fù)載會產(chǎn)生不利影響，因此即使電力系統(tǒng)中電源的電壓是正弦波，也會由于這些非線性元件的存在使得電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓的存在。因此電網(wǎng)諧波的存在主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。

二、電力系統(tǒng)諧波的危害

電力系統(tǒng)中由于諧波所引起的不良反應(yīng)十分廣泛。諧波污染會使系統(tǒng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量的三次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。諧波會引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，引起嚴(yán)重事故。諧波影響各種電器設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱，使絕緣老化，壽命縮短以至損壞。諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。

電力系統(tǒng)諧波對于系統(tǒng)中供配電設(shè)備的主要危害具體表現(xiàn)在：

1.諧波的增加可能使供電系統(tǒng)發(fā)生諧振。最常見的諧波諧振是在接有諧波源的用戶母線上發(fā)生，因?yàn)槟妇€上除諧波源外，還有電容、電纜、供電變壓器及電動機(jī)等負(fù)載。這些設(shè)備處于經(jīng)常性的變動中,容易構(gòu)成諧振條件。一旦發(fā)生諧振，將會發(fā)生系統(tǒng)過電壓而跳閘，甚至絕緣擊穿。

2.對電動機(jī)的影響。電壓諧波會導(dǎo)致直接的感應(yīng)電動機(jī)的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動在聯(lián)軸器和軸承處會產(chǎn)生磨損和裂紋。由于速度是固定的,諧波中儲藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了,導(dǎo)致設(shè)備過早老化。

3.對變壓器的影響。諧波電壓可使變壓器的磁滯及渦流損耗增加，使絕緣材料承受的電氣應(yīng)力增大，諧波電流使變壓器的銅耗增加。這種危害對換流變壓器尤為嚴(yán)重，因?yàn)榻涣鳛V波器通常裝在交流側(cè)，諧波電流仍能通過換流變壓器,濾波器對它不起作用。

4.對電容器和電纜的影響。在諧波電壓作用下,使電容器產(chǎn)生額外的功率損耗。電容器對供電系統(tǒng)其他部分產(chǎn)生串聯(lián)、并聯(lián)諧振,可能發(fā)生危險(xiǎn)的過電壓及過電流, 這往往引起電容器熔絲熔斷或使電容器損壞。在諧波電壓作用下,電纜的介質(zhì)損耗增加,使電力電纜絕緣損壞,電纜發(fā)生單相接地故障的次數(shù)明顯增加。

5.對繼電保護(hù)裝置的影響。配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因?yàn)榛冸娏鬟^零點(diǎn)時(shí),電弧電流隨時(shí)間的變化率要比工頻正弦電流大,電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多,使電弧容易重燃,導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時(shí)候根本不跳閘。剩余電流可能會達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動作的設(shè)定值,引起誤跳閘。

三、電力系統(tǒng)諧波的治理措施

諧波的治理可以從產(chǎn)生諧波的非線性負(fù)荷和受諧波污染危害的電力設(shè)備和裝置兩方面來考慮，具體的治理方法如下：

1.加裝無源濾波器：無源濾波器由L、C、R 元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)LC 回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時(shí)，就可以阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，但也存在一定的缺點(diǎn)即濾波容易受系統(tǒng)參數(shù)影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費(fèi)多、體積大。

2.加裝有源濾波器：有源濾波器是通過對電流中高次諧波進(jìn)行檢測并根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，有源濾波器不僅具有高度可控性和快速響應(yīng)性，而且可以消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險(xiǎn)，同時(shí)也能自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。缺點(diǎn)是容量大，價(jià)格高。

3.加裝無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置：對于大型沖擊性負(fù)荷，可以通過裝設(shè)無功功率靜止型無功補(bǔ)償裝置獲得補(bǔ)償負(fù)荷快速變動的無功需求，達(dá)到改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少諧波電流注入，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓的不平衡度、提高供電系統(tǒng)承受諧波能力的目的。

4.供電線路分開：把產(chǎn)生諧波的負(fù)荷的供電線路和對諧波敏感的負(fù)荷供電線路分開，可以使非線性負(fù)荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負(fù)荷上去，防止諧波負(fù)荷電流造成的諧波電壓畸形產(chǎn)生。

5.使用理想化的無諧波污染的供配電設(shè)備，保證設(shè)備輸入和輸出電流都是正弦波。

四、結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在治理電力系統(tǒng)諧波問題上將會有更多的治理措施涌現(xiàn)，從而可以更加有效抑制諧波對電網(wǎng)的污染，提高電能質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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