电力系统谐波

【摘 要】本文主要就电力系统谐波产生的原因、危害和抑制谐波的措施进行了阐述.结合晋煤集团煤矿供电系统的实践应用情况.

【关 键 词】电力谐波；谐波危害；谐波治理

随着电力电子技术的发展,电力系统中增加了大量的非线性负荷,由其产生的高次谐波的危害对电力系统安全带来的极大影响.因此,有效地治理谐波就成为输配电技术中迫切需要解决的一个问题.

一、谐波产生的原因

所谓谐波,即理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压,但是由于各种原因,使这种理想状态在实际中无法存在.因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解,所得到的频率为基波整数倍分量的含有量,称为谐波.谐波是一个非正弦周期量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍.其周期为T等于2∏/W的非正弦电压U(W)t.

电网的谐波源可分为谐波电压源和谐波电流源两种,发、变电设备一般为谐波电压源；而变流装置、电弧炉和电抗器等为谐波电流源.电力电网中的谐波产生主要源于各种非线性用电负荷,谐波主要由谐波电流源产生,当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,且与所加的电压不呈线性关系,电流因而发生畸变,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生.非线性设备是主要的谐波源.当前,电力系统的谐波源主要有三大类.

1.铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器等,其铁磁饱和特性呈现非线性.由于铁芯的饱和,使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波.它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关.铁芯的饱和程度越高,谐波电流也就越大.主要谐波为3、5、7次.

2.电子开关型:主要为各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用.晶闸管整流装置采用移相控制,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分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波.

3.电弧型:各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性,使电流不规则的波动.其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性.对于电力系统三相供电来说,有三相平衡和三相不平衡的非线性特性.后者,如电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器等,而电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源.主要谐波为2、3、4、5、7次.

二、谐波对电网的危害

谐波的污染和危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上.主要表现在以下方面：

1.对电力电容器的危害.由于电容器的容抗与频率成反比,因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多,从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多,即使电压中谐波电压所占比例不大,也会产生明显的谐波电流.特别是在产生谐振的情况下,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流,从而导致电容器因过流而损坏.

2.增加变压器的损耗.变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效应和邻近效应,在绕组中引起附加铜耗,同时使铁耗相应增加.特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组发热.对Ｙ形连接中性线接地系统中,侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热.增大变压器绕组和铁芯的损耗,降低电网电压,降低变压器的实际使用容量.谐波还导致变压器噪声增大,使变压器出现过热,缩短使用寿命.

3.影响继电保护装置的可靠性.谐波能够改变保护继电器的动作特性,当有谐波畸变时,谐波对过电流、欠电压、距离、频率、等继电器均会引起拒动和误动.保护装置失灵和动作不稳定.

4.增加输电线路功耗.如果电网中含有高次谐波电流,那么,高次谐波电流会使输电线路功耗增加.

5.引起电力测量的误差.谐波会使电气测量仪表测量不准确,造成计量误差.

三、谐波的治理

谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为几波频率的整数倍.目前滤波方式有很多种,主要有两种：（1）无源滤波器治理,即在电网上并联无源调谐滤波器组；（2）有源滤波器治理,即在电网上并联电力有源滤波器等.

1.装设无源滤波器

1）无源滤波器也称为LC调谐滤波器,原理是由电容器和电抗器串联而成,设定电感和电容的值,将其设计为某频率下极小阻抗,,对相应频率谐波电流进行清除.滤波器相当于短路,此次谐波通过,而其他波不能通过,完成滤波.避免其流入系统.目前主要技术方案有分组投切调谐电容器组、静止无功补偿器（SVC）两种.

2）采用无源滤波器治理谐波是一个非常普遍和基本的方法.技术成熟,低廉.但滤波效果不很理想.只能抑制固定的几次谐波,由于电网中的复杂化和非线性负荷的增多,不仅谐波含量波动比较明显,谐波成分也变得多样化,包括了偶次谐波和更高次谐波.而无源滤波器设置好参数就基本不能再变.另外,无源滤波还会产生谐振问题,电网处于谐振状态或接近状态时,谐波将被大幅度的放大,引起事故.

2.装设有源滤波器

1）有源滤波器（APF）：基本工作原理为检测电路检测出补偿对象的电压和电流后,经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流及无功电流相抵消,最终得到期望的电源电流.保证电源侧的负载电流为正弦波.

2）有源滤波以实时监测的谐波电流为补偿对象,补偿效果和通用性良好.能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重量较小.已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段.

四、实例分析

某变电站上级220kV变电站带有铁路机车的牵引变电站,铁路机车的牵引变电站产生的谐波电流及负序分量,造成变电站电能质量恶化.2010年在变电站试运行谐波治理装置MARS,MARS系统主要由断路器、谐波变压器、MARS装置组成.MARS装置利用双桥PWM技术实现的电流发生器,是有源滤波器.MARS装置投运前后对主变低压侧各次谐波电流进行测试,运行方式为：1#主变、2#主变投运,3#主变备用,35kV母线并列运行,各35kV变电站均采用分列运行方式.测试数据如下：

根据上述数据对比显示,1#主变低压侧,2、3、5、7、9、13和15次谐波电流均已超过国家标准,在MARS投运之后,经过一期调试,系统电压不平衡度、电压总谐波畸变率和各次电流谐波情况较MARS投运之前都有了较为明显的改善.1#主变低压侧2、3、5、7、13和15次谐波电流,得到了明显的抑制,均在国家标准要求限值之内.

五、结语

综上所述,谐波已成为电能质量另一个重要指标,因此,无论是从保障电力系统安全、稳定、经济运行的角度,还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度,有效地治理谐波,将其限制值允许范围内,已成为迫切的问题之一,研究电网谐波问题具有十分重要的意义.