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              供電系統的諧波是如何產生的?抑制方法又是什么呢?

              發布日期:2022-11-01 10:06:13   瀏覽量 :655
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              電氣系統中的電氣設備產生的電壓或電流波形非理想的正弦波時,即說明其中含有頻率高于50Hz的電壓或電流成分,將頻率高于50Hz的電流或電壓成分稱之為諧波。諧波對電氣設備的正常工作有不利影響,因此,研究諧波的危害與抑制方法,對保證電網的電力質量十分必要。

              (1)諧波是如何產生的?

              諧波來自于三個方面:一是發電設備產生的諧波;二是輸配電系統產生的諧波;三是供電系統的電氣設備(如變頻器、電爐等)等產生的諧波,其中以供電系統的電氣設備產生的諧波居多,具體如下:

              1)晶閘管整流設備:由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網造成了大量的諧波。

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              晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網吸收的是缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋脈沖整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器,也含有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明:由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。

              2)變頻裝置:變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復雜,除含有整數次諧波外,還含有分數次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調速的使用的增多,對電網造成的諧波也越來越多。

              3)電弧爐、電石爐:由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩定,引起三相負荷不平衡,產生諧波電流,經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2~7次的諧波,平均可達基波的8%~20%,最大可達45%。

              4)氣體放電類電光源:熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性,可知其非線性十分嚴重,有的還含有負的伏安特性,它們會給電網造成奇次諧波電流。

              5)家用電器:電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等,因具有調壓整流裝置,會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中,因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小,但數量巨大,也是諧波的主要來源之一。

              (2)諧波有哪些危害?

              諧波會產生各種各樣的危害主要有:

              1)由于諧波的頻率較高,使導線的趨膚效應加重,因此銅損急劇增加。同時變壓器鐵心由于不能適應急劇變化的磁通而導致鐵損急劇增加。

              2)諧波會影響表計的計量精度。從原理上進行分析:諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變為諧波發送到電網中去,因此電能表會將諧波能量當作發電來進行計算,從而導致計量誤差。對于機械式電能表還會由于高頻率諧波所產生的高頻渦流阻力而變慢。在高次諧波嚴重的情況下會嚴重影響電能表的計量精度。

              3)精密電子設備(包括電子式電能表)會被嚴重干擾,導致不能正常工作,甚至燒毀。

              4)所有接于電網中的設備的損耗都會增加,溫升增加。含有電容器的設備受影響最為嚴重,甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故。

              5)電機內負荷由于諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。

              6)繼電保護機構可能會由于諧波而產生誤動或拒動故障。

              當供電系統的諧波污染程度小于國家標準的規定時,通常不會對系統造成影響,如果不進行諧波治理,往往會產生很嚴重的后果。

              (3)諧波如何抑制,方法有哪些?

              對電力諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統的諧波電流,以便把諧波電壓控制在限定值之內,抑制諧波電流主要有三方面的措施:

              1)降低諧波源的諧波含量:也就是在諧波源上采取措施,最大限度地避免諧波的產生。這種方法比較積極,能夠提高電網質量,可大大節省因消除諧波影響而支出的費用。

              具體方法有:

              增加整流器的脈動數:整流器是電網中的主要諧波源,其特征頻譜為:

              n=Kp±1,則可知脈沖數p增加,n也相應增大,而In≈I1/n,故諧波電流將減少。因此,增加整流脈動數,可平滑波形,減少諧波。電力電子裝置常將6脈波的變流器設計成12脈波或24脈波變流器,以減少交流側的諧波電流含量。理論上,脈波越多,對諧波的抑制效果越好,但是脈波數越多整流變壓器的結構越復雜,體積越大,變流器的控制和保護變得困難,成本增加。

              脈寬調制法:脈寬調制技術的基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉換時刻,保證四分之一波形的對稱性。根據輸出波形的傅立葉級數展開式,使需要消除的諧波幅值為零、基波幅值為給定量,達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的,目前采用的PWM技術有最優脈寬調制、改進正弦脈寬調制、Δ調制、跟蹤型PWM調制和自適應PWM控制等。

              三相整流變壓器采用Y/Δ或Δ/Y的接線:三相整流變壓器采用Y/Δ或Δ/Y的接線形式,這樣可以消除3個整數倍次的電力諧波,從而使注入電網的諧波電流只有5、7、11……等次諧波。

              2)在諧波源處吸收諧波電流:這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法,這是目前電力系統使用最廣泛的抑制諧波方法。目前常用的方式采用有無源濾波裝置和有源濾波裝置等。下面就談談這幾種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。

              無源諧波濾除裝置:無源濾波器也稱為LC濾波器,可分為單調諧濾波器、雙諧濾波器和高通濾波器,實際應用中常采用幾組單調諧濾波器和幾組高通濾波器組成一個濾波裝置,單調諧濾波器也叫單調諧濾波回路,其主要由控制器、電容器、電抗器和投切開關以及其控制回路和保護回路組成。無論高壓和低壓,都是一樣的。高壓濾波器和低壓濾波器的區別,主要是使用的元器件的耐壓不同,其所承受的電流也不同,要求的安全距離也就不同了,其設計和制造的難易程度也就有極大的區別了。

              濾除諧波的多少視每一個工程的實際情況而不同,一般為系統原含有諧波量的20%~50%不等。也可視工程的具體情況,多設幾組濾波器,濾波效果達到原有諧波含量的70%以上,但這要在保護回路上多下功夫,其保護回路也就相對復雜一點了。無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來,組成LC串聯回路,并聯于系統中,LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上,例如5次、7次、11次諧振點上,達到濾除這3次諧波的目的?,F在,市場上流通較多采取的濾波方法就是這一種,濾波效果雖差,但成本較低,用戶容易接受。但使用中如果諧振頻率設定得不好,會與系統產生諧振。

              有源諧波濾除裝置:有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的,它的濾波效果好,在其額定的無功功率范圍內,濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路,使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度,但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓,額定電流的發展限制,成本極高,其制作也較之無源濾波裝置復雜得多,成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統的供電系統,尤其是寫字樓的供電系統,工廠的計算機控制供電系統。

              防止并聯電容器組對諧波的放大:在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時,在一定的參數下電容器組會對諧波起放大作用,危及電容器本身和附近電氣設備的安全??刹扇〈撾娍蛊?,或將電容器組的某些支路改為濾波器,還可以采取限定電容器組的投入容量,避免電容器對諧波的放大。為了解決無源濾波器和有源濾波器各自存在的缺點,構成比較理想的諧波補償系統,一般將有源濾波器和無源濾波器混合使用。

              加裝靜止無功補償裝置:快速變化的諧波源有電弧爐、電力機車和卷揚機等,除了產生諧波外,往往還會引起供電電壓的波動和閃變,有的還會造成系統電壓三相不平衡,嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處,并聯裝設靜止無功補償裝置,可有效減小波動的諧波量,同時,可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因數。

              3)改善供電環境:選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,可以有效地減小諧波對電網的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供電,承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電,減少諧波對其它負荷的影響,也有助于集中抑制和消除高次諧波。

              電流
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              諧波
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