電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)論文
電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)
摘要：電網(wǎng)中諧波問題日益嚴重，文章對此綜述了諧波危害及抑制諧波的方法。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)
隨著電網(wǎng)容量迅速增長，電網(wǎng)運行電壓也不斷提高，國外輸電設(shè)備電壓已達１０００ｋＶ我國從２０世紀８０年代開始進入大電網(wǎng)時期，輸變設(shè)備電壓已達５００ｋＶ。最近開始西北地區(qū)黃河上游水電深度開發(fā)，國家電力公司已批準建設(shè)第一條７５０ｋＶ輸電線路。
隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍增長，對供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越多，電力質(zhì)量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人們的日益重視。例如，工業(yè)生產(chǎn)中的大型生產(chǎn)線、飛機場、大型金融商廈、大型醫(yī)院等重要場合的計算機系統(tǒng)一旦失電，或因受電力網(wǎng)上瞬態(tài)電磁干擾影響，致使計算機系統(tǒng)無法正常運行，將會帶來巨大的
經(jīng)濟損失。電梯、空調(diào)等變頻設(shè)備、電視機、計算機、復印機、電子式鎮(zhèn)流器熒光燈等已成為人民日常生活的一部分，如果這些裝置不能正常運行，必定擾亂人們的正常生活。但是，電視機、計算機、復印機、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、電弧爐等用電負載大都是非線性負載，都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網(wǎng)，必然污染公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)電源的波形畸變，增加諧波成份。
近幾年，傳感技術(shù)、光纖、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)及信息技術(shù)日臻成熟。集成度愈來愈高的微電子技術(shù)使計算器的功能更加完美，體積愈來愈小，從而促使各種電器設(shè)備的控制向智能型控制器方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)集成度的提高，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導致控制單元損壞或失靈。例如，２０世紀７０年代計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現(xiàn)誤動作，而無法找出原因。１９６６年日本三基電子工業(yè)公司率先開發(fā)了“模擬脈沖的高頻噪音模擬器”，將它產(chǎn)生的脈沖注入被試計算機的電源部分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算機在注入１００～２００Ｖ脈沖時就誤動作，難怪計算機在現(xiàn)場無法正常工作，其原因之一是計算機的電源受到了污染。因此，受諧波電流污染的公用電源，輕者干擾設(shè)備正常運行，影響人們的正常生活，重者致使工業(yè)上的大型生產(chǎn)線、系統(tǒng)運行癱瘓，會造成嚴重經(jīng)濟損失。
國際電工委員會（ＩＥＣ）已于１９８８年開始對諧波限定提出了明確的要求。美國“ＩＥＥＥ電子電氣工程師協(xié)會”于１９９２年制定了諧波限定標準ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２標準中明確規(guī)定了計算機或類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù)（ＴＨＤ）應(yīng)在５％以下，而對于醫(yī)院、飛機場等關(guān)鍵場所則要求ＴＨＤ應(yīng)低于３％。
１電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生
１．１電源本身諧波
由于發(fā)電機制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當然，幾個這樣的電源并網(wǎng)時，總電源的電流也將偏離正弦波。
１．２由非線性負載所致
1.2.1非線性負載
諧波產(chǎn)生的另一個原因是由于非線性負載。當電流流經(jīng)線性負載時，負載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負載時，則負載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。
1.2.2主要非線性負載裝置
（１）開關(guān)電源的高次諧波，它由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負載和控制，這幾個部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣；
①一次整流回路噪聲：這是電容輸入型線路，整流脈動電壓要超過Ｃ１上的充電電壓，電流才從電源輸入，電流波形呈脈沖形，對這種脈沖狀電流波進行“傅立葉展開”后，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，還有１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次諧波，這些高次諧波電流全部返回到公用電網(wǎng)中，造成公用電網(wǎng)的波形偏離５０Ｈｚ；
②開關(guān)振蕩回路：開關(guān)三極管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ以上頻率頻繁通斷，使電路產(chǎn)生高次諧波。其次Ｌ１、Ｌ２線圈間有漏感，在Ｔ１工作時也會形成噪聲；
③二次整流回路噪聲：首先，高次諧波流過Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２產(chǎn)生噪聲。電流突變過程中在Ｌ２、Ｌ４上的反電動勢也會形成噪聲；
④控制回路噪聲：在完成控制過程也會產(chǎn)生噪聲。
這幾種干擾可以通過電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電源產(chǎn)生傳導干擾。
（２）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波
變壓器空載合閘時，可以列出下列方程：
ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ωｔ＋α）
求解后得到：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（１）
Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）——磁通的穩(wěn)態(tài)分量；
Φｍｃｏｓα——磁通的暫態(tài)分量。
如果合閘時，α＝０（既在μ１＝０的瞬間合閘）得到：
Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（２）
在合閘后半周期（ｔ＝）時，磁通達到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ。
鐵心中磁通波形對時間軸不對稱，考慮剩磁Φ０，則磁通波形再向上移Φ０，從而使對應(yīng)磁化曲線工作點移向飽和區(qū)，因此在磁通變化時，會產(chǎn)生８～１５倍額定電流的涌流，由于線圈電阻Ｒ１的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個周波即可達到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵磁涌流所含的諧波成份以３次諧波為主。
（３）單相電容器組開斷時的瞬態(tài)過電壓干擾：如果ｔ＝０時，ＣＢ觸頭剛分開，弧電壓很低略去，因此電源電壓ｕ與電容電壓相等，即ｕ＝ｕｃ。
ｔ＝ｔ１時，電流為零，電弧熄滅，而電源電壓仍然按正弦變化，經(jīng)過半周到達正向最大。但是，電容電壓ｕｃ＝－Ｕｍ不再變化。斷路器ＣＢ觸頭間電壓Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。
當ｔ＝ｔ２時，如果此時弧隙介質(zhì)擊穿，這一過程可以看為Ｕｍ直流電源經(jīng)電感Ｌ突然加到電壓為－Ｕｍ的電容上，因分布參數(shù)產(chǎn)生高頻振蕩，形成高頻電流：
ｉｃ＝２Ｕｍω０Ｃｃｏｓω０ｔ，（ω０＝）
電容器上電壓為：
μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ（３）
因此，高頻電流ｉｃ經(jīng)時間第一次過零時，高頻電流被切斷，電容器上電壓Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，如果此時電弧被熄滅，則Ｕｃ將保持３Ｕｍ不變。
ｔ＝ｔ３時，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此時弧隙又出現(xiàn)擊穿，則電容器電壓可達到５Ｕｍ值。
實際上，由于觸頭間距在開斷過程中不斷增加，因此介質(zhì)強度不斷增大，當介質(zhì)恢復強度超過電壓增加速度，重擊穿現(xiàn)象中止，完成開斷，所以電容上過電壓倍數(shù)不會達到３倍（上面的討論是假設(shè)弧隙重擊穿發(fā)生在電流過零后１０ｍｓ，因此恢復電壓達到最大值）。
用普通斷路器投切電容器ｃ１時（ｃ１處于２０ｋＶ線路），產(chǎn)生１．８（ｐ．ｕ）過電壓，導致諧振，諧振卻又在ｃ２處（ｃ２處于６ｋＶ線路）產(chǎn)生高于４（ｐ．ｕ）的過電壓。
電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工業(yè)中改進電機效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對過電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護誤跳閘。由于與中壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會經(jīng)常發(fā)生；
（４）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國１０ｋＶ、３５ｋＶ等級的中性點不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會導致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感Ｌ和系統(tǒng)對地電容Ｃ在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。我們先看一下，它是典型的Ｌ、Ｃ并聯(lián)電路。ｘｃ＝，ｘＬ＝ωＬ，ｘｃ是線性參數(shù)，但是ｘＬ是非線性參數(shù)，其大小與鐵芯飽和程度有關(guān)，如發(fā)生并聯(lián)諧振，則產(chǎn)生較高的諧振過電壓；
（５）整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。大功率整流器廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，大功率整流器——逆變器廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速及交－直流電動機的調(diào)速等領(lǐng)域。
其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（５０Ｈｚ基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動機采用變頻器進行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能（近３０％），但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。
這些高次諧波是通過三個途徑竄入產(chǎn)生干擾的。其一是通過電容耦合；其二是通過高次諧波電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)；其三是直接由接地回路或電源線竄入的。
（６）電弧爐運行引起電壓波動：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當然會更多地使用電弧爐，這是一個重要負荷。運行時，電極和金屬碎粒之間會發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路－開路－短路的過程，會引起用戶端電壓波動及白熾燈閃爍，一般電壓波動頻率是０．１Ｈｚ～幾十Ｈｚ，這種諧波是以３次諧波為主。
２諧波的危害
２．１污染公用電網(wǎng)
如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機、計算機等）無法正常工作，甚至會造成故障，而且還會造成向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送。
２．２影響變壓器工作
諧波電流，特別是３次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對Ｙ形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的３次諧波電流會使中性線發(fā)熱。
２．３影響繼電保護的可靠性
如果繼電保護裝置是按基波負序量整定其整定值大小，此時，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會引起負序保護裝置的誤動作，影響電力系統(tǒng)安全。
２．４加速金屬化膜電容器老化
在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補償或濾波器，而在諧波的長期作用下，金屬化膜電容器會加速老化。
２．５增加輸電線路功耗
如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會使輸電線路功耗增加。
如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對地電容要大１０～２０倍，而感抗僅為其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。
２．６增加旋轉(zhuǎn)電機的損耗
國際上一般認為電動機在正常持續(xù)運行條件下，電網(wǎng)中負序電壓不超過額定電壓的２％，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負序電壓大于這個數(shù)值，則附加功耗明顯增加。
２．７影響或干擾測量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作
例如，直流輸電中，直流換流站換相時會產(chǎn)生３～１０ｋＨｚ高頻噪聲，會干擾電力載波通信的正常工作。
３諧波抑制技術(shù)
３．１整機電源需留有較大貯備量
為了使測量、控制裝置能滿足負載較大變化范圍，因此在設(shè)計整機電源時，可給予較大貯備量，一般選取０．５～１倍余量；
３．２對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電
因為測量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路時，對干擾大的設(shè)備與測控裝置采用不同相線供電。
３．３將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開
將測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電分開。因為動力裝置的`負荷變動大，測量、控制、微機及電視機的負荷小，動力裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開后，測量、控制、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。
３．４其余抑制高次諧波的技術(shù)
3.4.1開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)
一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。
采用電源濾波器。其中Ｃ１、Ｃ２具有抑制串模干擾，Ｌ１、Ｌ２可以抑制共模干擾，而Ｃ４、Ｃ３可以抑制串共模干擾。電源濾波器可以阻止電網(wǎng)中的干擾進入開關(guān)電源，也可以阻止開關(guān)電源的干擾進入電網(wǎng)。
屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾。
減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢阻止反向電流上升。
3.4.2變壓器空載合閘涌流抑止方法
根據(jù)方程（１），如果合閘時，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合閘），則：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４）
沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。
3.4.3抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法
如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。
3.4.4抑制電壓互感器鐵磁諧振方法
其方法是要使它脫離諧振區(qū)。電壓互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系統(tǒng)對地電容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ），在ｏａ區(qū)間，合成電流呈容性，合成電流隨電壓上升而增加，在ａｂ區(qū)間鐵芯飽和導致ＸＬ電抗減少（電感電流非線性急劇增長），最后使合成電流仍為容性，合成電流隨電壓上升而減少，所以ａｂ區(qū)間是不穩(wěn)定區(qū)間，在ｂ點合成電流為零，這時ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），發(fā)生并聯(lián)諧振。采用中性點不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。
3.4.5抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波
（１）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的電容，（分別接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）這種方法可使電磁干擾電流降至原來的１／１０，效果較明顯；
（２）變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機處兩端都接地。
3.4.6抑止電弧爐運行時的干擾
（１）在合適地段加入電容補償裝置，補償無功波動；
（２）可以重新安排供電系統(tǒng)。
４結(jié)束語
隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計算機、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。
諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，電力電子設(shè)備（特別一次設(shè)備）應(yīng)符合電磁發(fā)射水平，電子設(shè)備、電子儀器應(yīng)滿足電磁兼容性要求。
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