諧波對供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響
發(fā)布時間：2015-06-29 08:54 來源：華電國威
諧波對供電系統(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，變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱，使同步發(fā)電機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、控制以及檢測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。但是在實際中，供電電壓的波形會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(又稱為非線性負荷)供電的結(jié)果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(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)量的重要指標之一。諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣設(shè)備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱：使同步發(fā)電機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、控制以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會使無功功率加大，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)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)，當對發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和接線采取一些措施后，可以認為發(fā)電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。在其它幾個環(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、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(或稱之為非線性負荷)的顯著特點就是它們從電網(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)電壓嚴重失真。此外，電網(wǎng)還必須向這類負荷產(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間變化，如視頻顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設(shè)備對電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負載。由激光打印機、復(fù)印機、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值會隨時間而變化，因而稱之為波動的諧波，這類設(shè)備對電網(wǎng)來說是一個隨時間變化的負載。隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加，同時這些設(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、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機、微波爐、信息技術(shù)設(shè)備等迅速涌入居民家庭。雖然每臺設(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、空調(diào)器等在使用時具有集中的特點，在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(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，甚至會造成故障，而且還會使供電系統(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，高頻電流流過導體時，因集膚效應(yīng)的作用，使導體對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，使導體嚴重發(fā)熱。
對旋轉(zhuǎn)電機的影響
諧波對旋轉(zhuǎn)電機的危害主要是產(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，用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%。因此，諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為明顯。由于電動機的出力一般不能按發(fā)熱情況進行調(diào)整，由諧波引起電動機的發(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序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機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，電動機承受的負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)矩對電動機的平均轉(zhuǎn)矩影響不大，但諧波會產(chǎn)生顯著的脈;中轉(zhuǎn)矩，由此可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。
對變壓器的影響
諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，導致繞組過熱;對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
對輸電線路的影響
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，導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，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，在一定的參數(shù)配合條件下，會發(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相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感、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、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現(xiàn)誤動，導致?lián)p壞設(shè)備，與此同時還可產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線路，由于電纜的對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，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣被擊穿的事故。
對電力電容器的影響
隨著諧波電壓的增高，一方面會加速電容器的老化，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，就會產(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行。
影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性
諧波對電力系統(tǒng)中以負序(基波)量為基礎(chǔ)的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎(chǔ)上再疊加諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源)則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動(若誤動作后引起跳閘，則后果會相當嚴重)、變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，就會嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。
使測量和計量儀器的指示和計量不準確
由于電力計量裝置都是按50Hz標準的正弦波設(shè)計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應(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)，卻反而會少交電費;而與此同時，在線性負荷用戶處，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荷性能變差，而且還要多交電費。電子式電能表則更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。
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耦合，不但在鄰近電力線的通信線路中會產(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，會觸發(fā)電話鈴響，甚至在某些嚴重的情況下，還會威脅通信設(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裝置動作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。
對供用電設(shè)備的影響
諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，機內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，從而使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用的鎮(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，因為在一定參數(shù)的配合下，會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。對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能會使晶閘管誤動作或使控制回路誤觸發(fā)。
諧波對供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響，已經(jīng)引起了社會的廣泛關(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，還必須依靠全社會的努力，在設(shè)計、制造和使用非線性負載時，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荷側(cè)引起。例如沖擊性無功負載會使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生劇烈波動，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，同時電力電子裝置在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用又對電能質(zhì)量帶來了新的更加嚴重的損害，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。這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對供電質(zhì)量造成嚴重污染。因而消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善電能質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運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)備對電能質(zhì)量更加敏感，對供電質(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。
當電網(wǎng)的電能質(zhì)量被干擾或污染，達不到國家相關(guān)標準時，就得有針對性地對電網(wǎng)進行電能質(zhì)量改善。要了解電網(wǎng)電能質(zhì)量的實際情況，就必須有相應(yīng)的設(shè)備對其進行測試分析，針對國內(nèi)的實際情況，我公司適時開發(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電網(wǎng)諧波等問題進行測試分析的設(shè)備，更多詳情可以隨時咨詢。
