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電力系統諧波的出現與基本治理方法
更新時間:2019-10-02 發布:www.hewvub.icu

[摘要]本文分析了電力系統諧波泛起的緣由,提出了一些治理諧波的基本方式,同時介紹一些單元取得成功的經驗,指導了電力用戶對整流裝備的選擇。
  [關頭詞]非線性負荷、諧波份量、整流裝備、開關電源裝備、濾波器

引言  電能質量的黑白,直接影響到工業產物的質量,評價電能質量有三方面尺度。首先是電壓方面,它包括電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等;其次是頻率波動;最后是電壓的波形質量,即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率,也就是諧波所占的比重。我國對電能質量的三方面都有明確的尺度和規范。  隨著科學技術的成長,隨著工業生產水安然平靜人平易近生活水平的提高,非線性用電裝備在電網中年夜量投運,造成了電網的諧波份量占的比重越來越年夜。它不僅增加了電網的供電消耗,而且干擾電網的庇護裝配與自動化裝配的正常運行,造成了這些裝配的誤動與拒動,直接威脅電網的平安運行。舉個常見的例子來說,電子節能燈在使用量所占比重較小的電網中運行,簡直比經常使用的白熾燈好,不僅亮度高又省電,而且使用壽命也長。可是相反,在年夜量投運節能燈后,就會發現節能燈的損壞率年夜年夜提高。這是由于節能燈長短線性負荷,它發生較年夜的諧波污染了這一片電網,造成三相負荷基本平衡情況下,中心線電流居高不下,線電壓與相電壓之比比:1要小得多,造成了該片電網供電質量下降,用電裝備發燒增加,電網線損增加,使得該區的配變發燒嚴重,嚴重影響其使用壽命。是以我們對非線性用電裝備發生的諧波必需進行治理,使諧波份量不跨越國家尺度。1、電力系統中諧波的來歷  電力系統中的諧波來自電氣裝備,也就是說來自覺電裝備和用電裝備。由于發機電的轉子發生的磁場不成能是完善的正弦波,是以發機電發出的電壓波形不成能是一點不失真的正弦波。今朝我國運用的發機電有兩年夜類:隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發機電,凸極機多用于水輪發機電。  對于諧波份量而言,隱極機優于凸極機,但隨著科技前進,可控硅、IGBT等電子勵磁裝配的投進,使發機電的諧波份量有所上升。當發機電的端電壓高于額定電壓的10%以上時,由于機電的磁飽和,會使電壓的三次諧波較著增加。一樣在變壓器的電源側電壓跨越額定電壓10以上時,也會使二次側電壓的三次諧波較著增加。由于電網電壓偏移在±7%以下,所以發電、變電裝備發生的諧波份量都比力小,比國家的考核尺度低的多,是以發電、變電裝備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。  為此,影響電網電壓波形質量的主要矛盾長短線性用電裝備,也就是說非線性用電裝備是主要的諧波源,非線性用電裝備主要有以下四年夜類:

  • 電弧加熱裝備:如電弧爐、電焊機等。
  • 交流整流的直流用電裝備:如電力機車、電解、電鍍等。
  • 交流整流再逆變用電裝備:如變頻調速、變頻空調等。
  • 開關電源裝備:如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
  這些用電裝備都長短線性用電裝備,但它們發生的諧波各不不異,具體舉例分析以下:  電弧加熱裝備是由于電弧在70伏以上才會起弧,才會有弧電流,而且滅弧電壓略低于起弧電壓,造成弧電流與弧電壓的非線性(如圖所示)。  此外,弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流長短正弦波,造成電弧加熱裝備對電網的諧波污染比力年夜,而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀4、五十年月已普遍運用。由于那時電弧加熱裝備量少,電焊機運用的同時率就更小了,對整個電網的影響比力小,但在那時已發現在燒電焊時,局部低壓電網的電壓和電流變化很年夜,有較年夜的諧波影響。  交流整流直流用電裝備的諧波發生的緣由是由于整流裝備有一個閥電壓,在小于閥電壓時,電流為零(如圖圖所示)。這類用電裝備為了提供平穩的直流電源,在整流裝備中加進了儲能元件(濾波電容和濾波電感),從而使閥電壓提高,加激了諧波的發生量。為了控制直流用電裝備的電壓和電流,在整流裝備中運用了可控硅,這使得該類裝備的諧波污染更嚴重,而且諧波的次數比力低。  交流整流再逆變用電裝備,在交流變直流進程中發生的諧波與上述的交流整流直流用電裝備一樣,它在直流逆釀成交流時又有逆變波形反射到交流電流,這類裝備發生的諧波份量不僅有低次諧波,也有高次諧波(如圖所示)。  雖然這類裝備單臺容量比上述兩類裝備容量要小,但它的散布面廣,數目多,是今朝推行使用的技術手段,是以它的諧波污染應引發足夠關注。  開關電源裝備今朝運用很廣,它的工作原理是先把交流整流成直流,經由過程開關管控制變壓器低級電流的開通和關閉,從而在變壓器二次側感應出電流,供給用電裝備。此外,開關電源的頻率比力高一般在40kHz左右,不僅在整流時發生諧波,而且在開關管開閉時,反射40kHz左右的波至電源。這類用電裝備一樣是單臺容量不年夜,但它是運用面最廣、量最年夜的非線性用電裝備,它還有一定量的三次諧波,造成配變的中心線電流居高不下,而且三次諧波還會經由過程配變污染到10kV電網。2、諧波治理的基本方式  今朝諧波治理的基本方式有以下三種,在治理進程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電裝備處罰散治理兩種方式。按誰污染誰治理的原則,應當在非線性用電裝備處罰散治理。但對于電腦,彩電,節能燈等平易近用裝備,則只能進行集中治理。  1、削減非線性用電裝備與電源間的電氣距離。也就是削減系統阻抗,換句話說就是提高供電電壓品級。例如,在麗水電業局的遂昌鋼廠就取得了不錯效果,該鋼廠原是用35kV供電,由兩個110kV變電所各架設一回35kV專線供電,而它的主要用電裝備是電弧爐,雖然進行了五次、七次諧波治理,但在110kV的35kV母線上測得諧波份量仍接近或稍超國家尺度。但在麗水局在遂昌新建了一個220kV變電所而且離該鋼廠僅4km左右,用5回35kV專線供電,使35kV母線的諧波份量控制在國家尺度之內,此外該廠還使用了較年夜容量的同步發機電,使這些非線性負荷的電氣距離年夜年夜下降,使該廠生產的諧波對電網的風險性下降,這類方式投資是最年夜的,往往需要和電網成長計劃相協調。  2、諧波的隔離。非線性用電裝備發生的諧波,它不僅直接影響到本級電網,而且經過變壓器后,還會影響到上幾級電網。若何把這些非線性用電裝備發生的諧波不影響或少影響其他幾級電網,這也是諧波治理的一個基本方式。這一方式在電網中普遍采用,發機電發出的電能經過Y/△、Y0/△、Y0/Y等接線組此外變壓器,把發機電發生的三次、九次等零序份量的諧波與上級電網隔脫離來,是以在110kV以上高壓電網上,3、九次諧波份量很小,幾近是零。而10kV由于年夜大都配變為Y/Y0接線,35kV也有少許Y/Y0接線的直配變,是以在10kV和35kV系統中3、九次諧波份量會比高壓電網年夜。為了削減低壓對10kV電網的影響,我局現在10kV配電系統中推行使用了D,yn11接線組此外配電變壓器,有用的削減了3、九次諧波的影響。  3、安裝濾波器。今朝對變電所側和用戶側諧波治理的方式,多采用安裝濾波器來削減諧波份量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩年夜類。  有源濾波器的基本工作原理是把電源側的電流波型與正弦波相比力,差額部門由有源濾波器進行抵償,這是諧波治理的成長標的目的。今朝由于功率電子元件容量做不年夜、電壓做不高,而且成本很高,是以在現階段不成能年夜量推行運用。隨著科學技術的成長,功率電子元件的成本下降,這一技術一定會在諧波治理上占主導地位的。  無源濾波器是經由過程L、C串聯或并聯,使其在某次諧波發生諧振,當發生串聯諧振時,使濾波器兩頭該次諧波的電壓很小,幾近接近零,這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處,從而使變壓器的一次側該次諧波的份量也很小,到達對該次諧波治理的目的。串聯無源濾波器多用于對5、7、十一次諧波治理中,而且往往同時采用兩組以上濾波器,諧振在5、七次,同時起抵償電容器組的作用。今朝,在電力行業中,它多用于35kV和110kV變電所的10kV母線上,兩組濾波器中的電容器容量年夜于變電所無功抵償容量,串聯電感后,諧振在5、七次諧波頻率中,使無源濾波器一物二用,具體計較公式以下:  當無源濾波器中,L、C串聯諧振在n次諧波頻率時,。  電容器和電感在工頻時的參數:Xc=n2XL得,當n=5時,Xc=52XL=25XLUc=1.04U,Qc=1.04QLC當n=7時,Xc=72XL=49XL,Uc=1.02U,Qc=1.02QLC  一般在電容器無串聯電感時,電網額定電壓為10kV,變壓所母線電壓在10.5kV以上,電容器額定電壓多選用11kV/。是以,用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常拔取11.5kV/或12kV/,用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常拔取11kV/。  可是由于計較精度和電容器、電感器的制造精度等緣由,若按計較成效數據來配備,在尺度化審查時就通不外,為了保證串聯濾波器能在5、七次諧波頻率時諧振,我們要求電感有一定的調理范圍,從而確保濾波器能正常工作。具體調試方式以下圖,調理電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時,則認為濾波器已調試成功。3、諧波治理方式的總結和成長  在電力系統中,供電電壓波型是中心對稱的,是以基本上不含有偶次諧波,主要存在在奇次諧波,而3、九次諧波可以經由過程Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組別進行隔離。而11、13次以上諧波由于其頻率比力高,而且輸電線路有一定電感量,對地又有一定電容量,相間及線間也有一定電容量。是以,高次諧波在線路傳輸進程中衰減比力快,同時高次諧波在電網中所占的比重也不年夜,故在電力行業中不作為主要整治對象。  在10kV配電系統中,配變多采用Y/Y0接線,Y0(400V)側由于有非線性用電裝備,會發生3、5、七……次諧波,5、七次諧波可以用串聯LC濾波器進行治理,而對三次諧波往往采用并聯諧振使三次諧波在主變一次側和二次側之間進線隔離,其原理以下:  當L、C并聯諧振在三次諧波頻率時,三次諧波電流流不外主變二次側線圈,從而使主變一次側感應不出三次諧波的電壓份量,同時使中性線三次諧波電流年夜年夜下降。  a、綜上所述,對于電力行業的諧波治理方式有以下四種基本方式:  1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接線組此外變壓器,隔離3、九次諧波。  2、采用L、C串聯無源濾波器,對5、七次諧波進行治理。  例如,麗水局的110kV景寧變電所由于10kV負荷中,中頻爐據有較年夜比重,從實測數據看,主導諧波為5、7,11,13,19,32,33,34,36,38次。抵償電容器的投進后,對低次諧波有放年夜作用,10kV母線電壓畸變率由6%上升為8.5%,對高次諧波有一定濾波作用,而且電容投進運行后,會使電容器端電壓升高,致使電容器損壞。今朝,在1、二段母線上各加一組五次和七次濾波器(容量為200kVAR×18只五次;200kVAR×12次七次)后,不單使5、七次諧波有較著壓制,而且提高了功率身分,使供電量增加、線損下降。具體測試數據以下:總諧波3次諧波5次諧波7次諧波11次諧波治理前6.050.73.752.361.52電容器投進8.020.955.864.781.63治理后3.780.71.20.41.5  3、采用L、C并聯無源濾波器,對三次諧波電流進行阻塞。  例如,本市中心醫院的外科年夜樓及門診樓引進新的進口裝備,由于低壓系統有三次諧波份量,造成新引進的醫療診斷裝備不能正常運作,醫院采用了L、C并聯無源濾波器,串接在變壓器中性點上,從而使三次諧波獲得壓制,使醫療診斷裝備能夠正常工作。  4、增強電網建設,擴年夜電網容量,增加旋轉備用容量。  b、對于非線性用電裝備的諧波治理方式有以下五種方式:  1、對電弧加熱用電裝備,采用多相(六相、十二相等)電弧爐變壓器,從而使低次諧波份量下降,高次諧波份量上升。今朝最經常使用的是Y/Y0、Δ/Y0兩變壓器劃分接兩臺不異容量的電弧爐,并使兩爐同步作業,經由過程LC串聯無源濾波裝配進行局部治理,到達用電裝備發生的諧波不超標。  2、對于交流整流直流用電裝備采用多相整流。多相整流發生的諧波多為整流相數±1次,對12相整流裝備,諧波份量最年夜是11次和13次,而對24相整流裝備,則是23次和25次。諧波頻率越高,L、C串聯濾波器的投資越小,諧波在輸電線路中傳輸衰減越快。  3、開關電源裝備諧波治理。工業用的典型裝備是中頻爐,今朝普遍采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺變壓器低級并聯,帶兩臺不異容量中頻爐同步運行,以提高整流時發生諧波的次數,在中頻變換中進行L、C串聯吸收,以削減中頻諧波反射到電源側,其接線以下圖所示,  例如,浙江省青田縣特種鋼廠,引進了美國生產的中頻爐,采用Y/Y0、Δ/Y0兩臺變壓器劃分接中頻爐,使其發生的諧波對電網的影響較著下降。  4、變頻器的諧波治理。在蓬勃國家中是變頻器和變頻器諧波治理裝備是配套供給的,由于變頻器的裝備價格和配套的變頻器諧波治理裝備的價格相差不多,我國的很多多少用戶,往往只安裝變頻器,不安裝配套的諧波治理裝備。隨著變頻技術的推行,會使電網中的諧波影響加重,是以希看用電經管部門做好用戶工作,做到變頻器與配套的諧波裝配兩者同時設計,一起投運。  5、用戶側多投一些同步電念頭,它一方面可以進行無功抵償,削減電壓波動及電壓閃變,另外一方面它又能吸收一部門諧波電流,對諧波治理也有很年夜益處。例如,遂昌鋼廠,在同步電念頭全開時,110kV古市變和金溪變35kV母線的電壓,諧波份量基本能在允許范圍內,若是同步機停運,則這兩點的電壓諧波份量會超標,是以用戶投進同步機對電網是有益的。  單相電焊機它是一個諧波源,在五十年月泛起過電念頭帶動直流發機電。直流發機電提供電焊機電源,這也是一種諧波治理方式。在三十年月,上海的電車、電鍍都是用交流電念頭帶動直流發機電來供電車和電鍍電源。可是在整流技術成長的今天,我們固然不會使用這一落后的技術手段來治理諧波,而是采用價格低廉的無源濾波器。  在供電系統中進行諧波治理有很多堅苦,非線性負荷不是24小時平穩運行的,如電弧爐、中頻爐在出爐時會停運,在融化和冶煉進程中,出力又有變化,是以諧波是在變化的。所以采用一個或幾個固定的無源濾波器的投切,不成能和非線性負荷變更進行同步,而今朝有源濾波器又不成能年夜力推行。從技術上說,今朝對諧波治理有一定難度,而且雖然串聯L、C無源濾波器對5、七次諧波起了治理作用,可是對某次諧波在某個條件下會起放年夜作用,從這一點來看,希看增強用電裝備的治理工作。  在變電所抵償裝備中串進一定電感,可以使之成為5、七次諧波治理裝備,同時還可以起到抵償作用,以到達一物二用。但在設計方面則要請有豐碩經驗的設計單元設計,在浙江省可以請浙江省電力實驗研究所,他們在5、七次諧波治理中已取得了很好的功效,在他們的指導下,各供電企業可以自己脫手,從小到年夜做一些諧波治理工作,解決一些諧波污染問題,這對各供電企業的自身提高是有扶助的。
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