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电网的谐波及危害
添加时间: 2009-10-9 点击次数:


高、低配电网是电网直接对分散的用户进行供电的电网,也是谐波污染最严重的地方,谐波污染既危害广大的电力用户,又危害电网,特别是当前大量的家用电气的接入和一些家庭加工业,乡镇化工、轧钢、冶炼工业的发展造成大量整流、变频、逆变、电磁(如;晶闸管整流设备、变频装置、点弧炉、电石炉、气体放点累电光源、家用电器……)等非线性负荷接入配网运行,产生大量的谐波电流和电压,既造成了电网损耗的增加,又对电气设备造成危害,威胁电网的安全运行。本文分析了配网的动态谐波源和静态谐波源,分析了谐波对低压电气设备的危害,提出相应的一些对策。

一、谐波的概念

电网谐波主要来有3个方面:a、发电源质量不高产生的谐波;b、输配电系统产生的谐波;c、用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。正常情况下,电网电压波形成正弦规律周期性变化,其函数关系为:  

                

式中U为电压的有效值;为角频率;为初相角; U、被称为该电压正弦波的三要素; 称为基波。正弦周期函数进行加、减、积分、微分运算时,其结果任然是正弦周期函数。非线性负荷接入电网后就会使电网电压的正弦波发生畸变,这种畸变的波形函数以级数形式展开为许多与基波频率成整数倍的不同频率的高次频率波形函数。我们称这些与基波频率成整数倍的许多高次波为高次谐波。致使电网波形畸变产生谐波的设备称为谐波源。

二、谐波源

1、动态谐波源

       基波是由发电厂中的发电机产生的,而谐波则是由于电网中各种非线性设备,不对称运行等情况产生,在配电网中产生谐波的谐波源是很多的。由于配电网特别是低压配电网的短路容量较小,许多较大的电气设备,特别是使用单相电源的较大容量的家用电器,投入和切断电源时就会造成电压变化,产生涌流;单相接地间歇放电引起的谐振;电弧炉、小型轧钢机、锻造、电解设备的运行,以及电焊机的拉弧焊接,洗衣机正反转变化,电冰箱和电热沸水器的频繁起动,手电钻、冲击钻以及饲料加工机械和农用脱粒机等的工作,以及配电线路的投切都会使配网产生高次谐波。这些都是动态的谐波源。

2、静态谐波源

       电视机、电子计算机的电源所产生的谐波电流幅值与其基波电流数量级相同;UPS(不停电源)输入、输出变压器均是非线性负荷,都会产生谐波电流和电压,并且在三相系统的中性线上还将存在零序分量谐波;开关模式电源从电网中提取的是脉冲电流,而不是连续电流,因而产生三次及高次和非常高次谐波电流,如荧光灯的电子镇流器工作时会产生相当大的谐波电流。还有电磁感应设备的电磁元件出现深度饱和时也导致电流和电压波形的畸变。这些可以称作静态谐波源。

       在低压配网中主要是3次、5次、7次谐波分量。如果一些工业用户将电流变换器直接接在10KV配电网上,则会产生幅值较高的5次、7次、11次及13次谐波。对电网设备进行污染危害。

三、谐波的危害

1、对配电变压器的危害:

       接线组别为Yyno的配变,三相四线制接线时,三次谐波电流在配变原副绕组中产生谐波电压,并使中性点电压产生动脉。另外由于奇次谐波相位相同,它们在中性线上的相量叠加,使中性线上的零序电流相量叠加,因此中线性上因为流过谐波电流而发热。

     三相三线制接线时零序谐波由于相位相同,形成中性点电压,使相电压发生变化。

       对于接线组别为Dyno的配变,零序谐波电流在绕组中形成环流,使配变绕组发热,降低配变寿命。

2、对电力电缆的危害:

     由于谐波次数高频率上升,再加上电缆导体截面积越大趋肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆允许通过的电流减少。另外,电缆的电阻、线路的感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,一   定数值得电感与电容可能发生湝振。

3、对电力电容器的危害:

当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流就增大,时电容器损耗功率增加。电容器的容抗与频率成反比,频率越高,阻抗越小,因而谐波电压能使电容器的电流增大很多。超出电容器允许条件,就会时电容器过电流和过负荷,因而异常发热,尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能是电网的谐波加剧,即产生谐波扩现象。在介质中诱发局部放电,由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩短1/2左右。当谐波与电容器的参数匹配时会产生谐振,使谐波得到方大,在谐波严重的情况下,造成电容器鼓肚、击穿、群爆及更大的损失。

4、对白炽灯的损害:

  白炽灯泡是一种应用十分广泛的照明灯具,它的寿命与谐波的热效应关系很大,畸变系数的增地缩短灯泡的寿命,而改变基波电压相对来说比改变畸变系数的影响更大。

5、对电动机的损害:
  
谐波对电动机的损害主要是引起附加损耗,产生机械振动、噪声和谐波过电压。畸变波能使电动机铁心磁饱和增加,特别是铁心钳绕组的磁部饱和赠加,使基波短路阻抗减小,一般认为,三相异步电动机的n次谐波电流的大小可通过下式计算: 式中:为n次谐波电流的均方根有效值;U为n次谐波电压的均方根有效值;位基波电源频率;为定子和转子的有效泄漏电感之和。由于集肤效应的存在,当增大时,有效电感趋向减少。有实验表明:在额定负荷下,当存在较大谐波电流时,电动机的漏抗会降低15%-20%,而且励磁阻抗也要降低。如果内部线圈的电感可忽略不计,最小值就等于定子和转子的的外泄漏电感。所以近似的等式为: 

谐波造成电动机附加损耗主要是铜损(引起的铁心附加损耗可不计),反映谐波损耗的谐波电阻Rn和反映基波损耗的工频电阻之比大于1,一般采用以下近似比值计算: 这样可得出n次谐波引起的损耗为

        

      通过上式可以看出:电动机的谐波功率损耗 成正比,当给定时,磁饱和将引起下降,所以使上升。此外,磁饱和也会引起励磁阻抗和基波负序阻抗的下降,使得在给定的电动机端电压和基波负序电压下励磁电流铜损和负序电流损耗将上升。所以谐波使磁饱和程度增加,致使谐波所引起的异步电动机附加损耗和发热的赠加要比单存由谐波本身引起的损耗和发热要大得多。负序谐波产生反方向旋转磁场和正序分量共同作用在电动机上,电机发生振动,使电机寿命降低。

6、对电能表的影响:

   、机械式电能表系感性机构,在进行电能计量时,可以分以下三种情况:

.畸变波电源供线性负荷,这时电能表计量的是基波电能和部分谐波电能,谐波会使用户设备性能变坏。这样用户既受到谐波污染又多缴电费。

.正弦波电源供非线性负荷,此时电能表计量的是基波电能减去部分谐波电能。这表明用户污染了电网还少缴了电费。

.畸变波电源供非线性负荷,这种情况就比较复杂了,基波电流是流向负荷的,而谐波电流则就不一定了,可能是流向负荷的,也可能是流向电源的,这要看具体情况了,最直接的方法就是用仪器来测量。

、电子式电能表使用的是积分电路,无论是电网是向负荷提供谐波电流还是负

荷向电网提供谐波电流都会积分计量在一起,这样就会造成计量误差。

7、对低压开关设备的危害:

        对于配电用的断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响而使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流的影响而使其脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁形的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的短路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低的更多。由此可知,上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。

        对于漏电断路器来说,由于谐波会漏电电流的作用,可能是断路器异常发热,出现误动或拒动。对于电磁接触器来说,谐波电流使磁体部件温升增大,线圈温度升高使额定电流降低。对于继电器来说,因受谐波电流的影响也要使电流降低。在工作它们都有可能造成误动作。

8、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,电力系统中的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。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。

9、对通讯线路的影响:

      通常音频通道的工作频率约为:200-400Hz,而供电系统的许多谐波就在这个频率范围之内。由于电力线路和通讯线路的功率水平差别很大,所以供电系统中的谐波将引起可以察觉的,有时是甚至不能容许的干扰杂音。

10、对整流、逆变装置和逻辑控制电路的影响:

      整流装置和晶闸管电路在各种电气设备中得到了十分广泛的应用,大到直流

         输电用的整流和逆变装置,城市电车直流供电电源,小到变频设备、电视机、微

         机、交流稳压电源、电池充电器以及不停电电源(UPS)等,一方面这些装置

         按一定的规律开闭不同电路,因而产生谐波电流注入电网,成为谐波源,另一方

         面畸变的波形又影响他们及其负荷的正常运行。畸变波引起控制电路误差,造成

         引燃角位移,整流装置电流变化率、电压变化率过高或过热会引起设备故障和整

         流原件损坏。这些都会给换流装置带来危害。同时某些整流装置的逻辑控制电路

往往因畸变电压而导致运行误差,造成运行错误。

11、对熔断器熔体的影响:

  熔体中的谐波电流产生过热会造成其安秒特性曲线位移,因此电流低的故障要特别注意熔丝的选择以防止误熔断停电,影响供电。

12、谐波集肤效应的影响:

交变的电流通过导体产生交变磁通,交变磁通与导体产生感应电动势,致使通过导体内部的电流密度沿导体截面由中心向外变大,而中心电流密度最小,这就是通常所说的集肤效应。集肤效应既降低了导体的载流能力又增加了导体的自身损耗,并且随着电流频率的增加这种集肤效应更严重。一般工频(50 Hz)情况下集肤效应造成的损耗较小,而谐波的频率较高时,象5次谐波频率为250Hz以上的谐波集肤效应造成的损耗和影响就十分显著了。因此,在选择导线时要考虑谐波的集肤效应影响,适当增加导线截面。

13、谐波对人体也有危害:

    从人体生理学角度来看,人体细胞在受到刺激兴奋时,会在细胞膜静息电位基础上发生快速波动或可逆翻转,其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的大脑与心脏。

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