諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響
發(fā)布時(shí)間：2015-06-29 08:54 來源：華電國威
諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響主要表現(xiàn)為引起電氣設(shè)備(電機(jī)，變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱，使同步發(fā)電機(jī)的額定輸出功率降低，轉(zhuǎn)矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至損壞：降低繼電保護(hù)、控制以及檢測(cè)裝置的工作精度和可靠性等。
在理想情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓。但是在實(shí)際中，供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國，取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備(又稱為非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量變壞。因此，諧波是反映電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣設(shè)備(電機(jī)、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱：使同步發(fā)電機(jī)的額定輸出功率降低，轉(zhuǎn)矩降低，變壓器溫度升高，效率降低，絕緣加速老化，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至損壞降低繼電保護(hù)、控制以及檢測(cè)裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備以及干擾通信線路的正常工作。
諧波產(chǎn)生的原因
在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)，當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線采取一些措施后，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。在其它幾個(gè)環(huán)節(jié)中，諧波的產(chǎn)生主要來自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備：
①具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等;
②以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備，如氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等;
③以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備，如各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，它們大量的用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著特點(diǎn)就是它們從電網(wǎng)中取用非正弦電流。也就是說，即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓，但由于它們具有其電流而不隨著電壓同步變化的非線性的電壓一電流特性，使流過電網(wǎng)的電流為非正弦波形，因此這種電流波形就由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，從而使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真。此外，電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。
接入低壓供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩(wěn)定的諧波電流是指這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化，如視頻顯示設(shè)備和測(cè)試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值會(huì)隨時(shí)間而變化，因而稱之為波動(dòng)的諧波，這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以它們是目前供電系統(tǒng)中的主要諧波源。
諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響
過去由于接入供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備較小，在系統(tǒng)中引起的諧波電流也很小，因此對(duì)電力質(zhì)量的影響并不大。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件以及各類開關(guān)電源的產(chǎn)品的情況增多，如電視機(jī)、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機(jī)、微波爐、信息技術(shù)設(shè)備等迅速涌入居民家庭。雖然每臺(tái)設(shè)備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但這些設(shè)備數(shù)量大、分布廣，且有些家用電器如電視機(jī)、空調(diào)器等在使用時(shí)具有集中的特點(diǎn)，在某些時(shí)段會(huì)使注入到電網(wǎng)的諧波電流對(duì)公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出。不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作，甚至?xí)斐晒收�，而且還會(huì)使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題已引起各有關(guān)方面的高度關(guān)注。諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
增加了發(fā)、輸、供和供用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過熱，降低設(shè)備的效率和利用率
由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗和電能損耗，使導(dǎo)體嚴(yán)重發(fā)熱。
對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響
諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)，磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗也在增加。在供電系統(tǒng)中，用戶的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%。因此，諧波使電力用戶電動(dòng)機(jī)總的附加損耗增加的影響最為明顯。由于電動(dòng)機(jī)的出力一般不能按發(fā)熱情況進(jìn)行調(diào)整，由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來考慮的。試驗(yàn)表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負(fù)序電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。因此，國際上通常的作法是建議在持續(xù)工作的條件下，電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過額定電壓的2%。
雖然諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩影響不大，但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈;中轉(zhuǎn)矩，由此可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲振動(dòng)的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。
對(duì)變壓器的影響
諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，導(dǎo)致繞組過熱;對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
對(duì)輸電線路的影響
由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗也增加。在供應(yīng)電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中中性線的電流增大，導(dǎo)致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對(duì)地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備形成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數(shù)配合條件下，會(huì)發(fā)生聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波的諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會(huì)引起繼電保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，導(dǎo)致?lián)p壞設(shè)備，與此同時(shí)還可產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對(duì)于電力電纜線路，由于電纜的對(duì)地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2~1/3，因此更容易激勵(lì)出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣被擊穿的事故。
對(duì)電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高，一方面會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等原因而不能正常地運(yùn)行。
影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性
諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這些按負(fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源)則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)(若誤動(dòng)作后引起跳閘，則后果會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重)、變電站主變的復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，就會(huì)嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
使測(cè)量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確
由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，這樣諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而會(huì)少交電費(fèi);而與此同時(shí)，在線性負(fù)荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負(fù)荷性能變差，而且還要多交電費(fèi)。電子式電能表則更不利于供電部門而有利于非線性負(fù)荷用戶。
干擾通信系統(tǒng)的工作
電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場(chǎng)耦合，不但在鄰近電力線的通信線路中會(huì)產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，會(huì)觸發(fā)電話鈴響，甚至在某些嚴(yán)重的情況下，還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外，高壓直流(HVDC)換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲(3~10kHz)會(huì)干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置動(dòng)作失誤，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。
對(duì)供用電設(shè)備的影響
諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，從而使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，因?yàn)樵谝欢▍?shù)的配合下，會(huì)形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對(duì)于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能會(huì)使晶閘管誤動(dòng)作或使控制回路誤觸發(fā)。
諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響，已經(jīng)引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。抑制諧波的影響，提高電能質(zhì)量是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的重大課題。它不僅要在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施，還必須依靠全社會(huì)的努力，在設(shè)計(jì)、制造和使用非線性負(fù)載時(shí)，采取有力地抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正抑制諧波對(duì)供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響。
電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)，通俗來說就是指電網(wǎng)線路中電能的好壞情況。電能質(zhì)量問題主要由終端負(fù)荷側(cè)引起。例如沖擊性無功負(fù)載會(huì)使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，降低供電質(zhì)量。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，它既給現(xiàn)代工業(yè)帶來節(jié)能和能量變換積極的一面，同時(shí)電力電子裝置在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用又對(duì)電能質(zhì)量帶來了新的更加嚴(yán)重的損害，已成為電網(wǎng)的主要諧波污染源。
電網(wǎng)系統(tǒng)中各個(gè)用戶端配電網(wǎng)中使用的整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備不斷增加。給用電網(wǎng)絡(luò)造成影響或者說是用電污染。造成電壓不穩(wěn)、過電壓、產(chǎn)生諧波等。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波還會(huì)引起電力系統(tǒng)局部發(fā)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量被放大，致使電容器等設(shè)備燒毀。這些負(fù)荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。因而消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善電能質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感，對(duì)供電質(zhì)量提出了更高的要求。目前，諧波、電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。
當(dāng)電網(wǎng)的電能質(zhì)量被干擾或污染，達(dá)不到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，就得有針對(duì)性地對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量改善。要了解電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)際情況，就必須有相應(yīng)的設(shè)備對(duì)其進(jìn)行測(cè)試分析，針對(duì)國內(nèi)的實(shí)際情況，我公司適時(shí)開發(fā)研制了適合國情的專業(yè)電能質(zhì)量分析儀器。
我公司的電能質(zhì)量分析儀，諧波分析儀，三相用電檢查儀正是針對(duì)電網(wǎng)諧波等問題進(jìn)行測(cè)試分析的設(shè)備，更多詳情可以隨時(shí)咨詢。
