諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響
發布時(shí)間：2015-06-29 08:54 來(lái)源：華電國威
諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響主要表現爲引起電氣設備(電機，變壓器和(hé)電容器等)附加損耗和(hé)發熱(rè)，使同步發電機的(de)額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高(gāo)，效率降低，絕緣加速老化(huà)，縮短設備的(de)使用(yòng)壽命，甚至損壞：降低繼電保護、控制以及檢測裝置的(de)工作精度和(hé)可(kě)靠性等。
在理(lǐ)想情況下(xià)，優質的(de)電力供應應該提供具有正弦波形的(de)電壓。但是在實際中，供電電壓的(de)波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即産生諧波。我們所說的(de)供電系統中的(de)諧波是指一些頻(pín)率爲基波頻(pín)率(在我國，取工業用(yòng)電頻(pín)率50Hz爲基波頻(pín)率)整數倍的(de)正弦波分(fēn)量，又稱爲高(gāo)次諧波。在供電系統中，産生諧波的(de)根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的(de)電氣設備(又稱爲非線性負荷)供電的(de)結果。這(zhè)些非線性負荷在工作時(shí)向電源反饋高(gāo)次諧波，導緻供電系統的(de)電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞。因此，諧波是反映電力質量的(de)重要指标之一。諧波的(de)危害表現爲引起電氣設備(電機、變壓器和(hé)電容器等)附加損耗和(hé)發熱(rè)：使同步發電機的(de)額定輸出功率降低，轉矩降低，變壓器溫度升高(gāo)，效率降低，絕緣加速老化(huà)，縮短設備的(de)使用(yòng)壽命，甚至損壞降低繼電保護、控制以及檢測裝置的(de)工作精度和(hé)可(kě)靠性等。諧波注入電網後會使無功功率加大(dà)，功率因數降低，甚至有可(kě)能引發并聯或串聯諧振，損壞電氣設備以及幹擾通(tōng)信線路的(de)正常工作。
諧波産生的(de)原因
在電力的(de)生産、傳輸、轉換和(hé)使用(yòng)的(de)各個(gè)環節中都會産生諧波。在發電環節，當對(duì)發電機的(de)結構和(hé)接線采取一些措施後，可(kě)以認爲發電機供給的(de)是具有基波頻(pín)率的(de)正弦波形的(de)電壓。在其它幾個(gè)環節中，諧波的(de)産生主要來(lái)自下(xià)列具有非線性特性的(de)電氣設備：
①具有鐵磁飽和(hé)特性的(de)鐵芯設備，如變壓器、電抗器等;
②以具有強烈非線性特性的(de)電弧爲工作介質的(de)設備，如氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;
③以電力電子元件爲基礎的(de)開關電源設備，如各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻(pín)器)、相控調速和(hé)調壓裝置，大(dà)容量的(de)電力晶閘管可(kě)控開關設備等，它們大(dà)量的(de)用(yòng)于化(huà)工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業以及各式各樣的(de)家用(yòng)電器中。以上這(zhè)些非線性電氣設備(或稱之爲非線性負荷)的(de)顯著特點就是它們從電網中取用(yòng)非正弦電流。也(yě)就是說，即使電源給這(zhè)些負荷供給的(de)是正弦波形的(de)電壓，但由于它們具有其電流而不随著(zhe)電壓同步變化(huà)的(de)非線性的(de)電壓一電流特性，使流過電網的(de)電流爲非正弦波形，因此這(zhè)種電流波形就由基波和(hé)與基波頻(pín)率成整數倍的(de)諧波組成，即産生了(le)諧波，從而使電網電壓嚴重失真。此外，電網還(hái)必須向這(zhè)類負荷産生的(de)諧波提供額外的(de)電能。
接入低壓供電系統的(de)非線性設備産生的(de)諧波電流可(kě)分(fēn)爲穩定的(de)諧波和(hé)變化(huà)的(de)諧波兩大(dà)類。所謂穩定的(de)諧波電流是指這(zhè)種諧波的(de)幅度不随時(shí)間變化(huà)，如視頻(pín)顯示設備和(hé)測試儀表等産生的(de)諧波，這(zhè)類設備對(duì)電網來(lái)說表現爲恒定的(de)負載。由激光(guāng)打印機、複印機、微波爐等産生的(de)各次諧波的(de)幅值會随時(shí)間而變化(huà)，因而稱之爲波動的(de)諧波，這(zhè)類設備對(duì)電網來(lái)說是一個(gè)随時(shí)間變化(huà)的(de)負載。随著(zhe)電力電子設備使用(yòng)的(de)不斷增加，同時(shí)這(zhè)些設備産生的(de)諧波又具有較大(dà)的(de)振幅，所以它們是目前供電系統中的(de)主要諧波源。
諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響
過去由于接入供電系統的(de)非線性設備較小，在系統中引起的(de)諧波電流也(yě)很小，因此對(duì)電力質量的(de)影(yǐng)響并不大(dà)。但随著(zhe)電子技術的(de)發展，使用(yòng)大(dà)功率半導體開關器件以及各類開關電源的(de)産品的(de)情況增多(duō)，如電視機、空調器、節能燈、調光(guāng)器、洗衣機、微波爐、信息技術設備等迅速湧入居民家庭。雖然每台設備向電網注入的(de)諧波電流不大(dà)，但這(zhè)些設備數量大(dà)、分(fēn)布廣，且有些家用(yòng)電器如電視機、空調器等在使用(yòng)時(shí)具有集中的(de)特點，在某些時(shí)段會使注入到電網的(de)諧波電流對(duì)公用(yòng)電網造成的(de)諧波問題特别突出。不但使接入該電網的(de)設備無法正常工作，甚至會造成故障，而且還(hái)會使供電系統中性線承受的(de)電流超載，影(yǐng)響供電系統的(de)電力輸送。因此諧波問題已引起各有關方面的(de)高(gāo)度關注。諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響主要表現在以下(xià)幾個(gè)方面。
增加了(le)發、輸、供和(hé)供用(yòng)電設備的(de)附加損耗，使設備過熱(rè)，降低設備的(de)效率和(hé)利用(yòng)率
由于諧波電流的(de)頻(pín)率爲基波頻(pín)率的(de)整數倍，高(gāo)頻(pín)電流流過導體時(shí)，因集膚效應的(de)作用(yòng)，使導體對(duì)諧波電流的(de)有效電阻增加，從而增加了(le)設備的(de)功率損耗和(hé)電能損耗，使導體嚴重發熱(rè)。
對(duì)旋轉電機的(de)影(yǐng)響
諧波對(duì)旋轉電機的(de)危害主要是産生附加的(de)損耗和(hé)轉矩。由于集膚效應，磁滞、渦流等随著(zhe)頻(pín)率的(de)增高(gāo)而使在旋轉電機的(de)鐵芯和(hé)繞組中産生的(de)附加損耗也(yě)在增加。在供電系統中，用(yòng)戶的(de)電動機負荷約占整個(gè)負荷的(de)85%。因此，諧波使電力用(yòng)戶電動機總的(de)附加損耗增加的(de)影(yǐng)響最爲明(míng)顯。由于電動機的(de)出力一般不能按發熱(rè)情況進行調整，由諧波引起電動機的(de)發熱(rè)效應是按它能承受的(de)諧波電壓折算(suàn)成等值的(de)基波負序電壓來(lái)考慮的(de)。試驗表明(míng)，在額定出力下(xià)持續承受爲3%額定電壓的(de)負序電壓時(shí)，電動機的(de)絕緣壽命要減少一半。因此，國際上通(tōng)常的(de)作法是建議(yì)在持續工作的(de)條件下(xià)，電動機承受的(de)負序電壓不宜超過額定電壓的(de)2%。
雖然諧波電流産生的(de)諧波轉矩對(duì)電動機的(de)平均轉矩影(yǐng)響不大(dà)，但諧波會産生顯著的(de)脈;中轉矩，由此可(kě)能出現電機轉軸扭曲振動的(de)問題。這(zhè)種振蕩力矩使汽輪發電機的(de)轉子元件發生扭振，并使汽輪機葉片産生疲勞循環。
對(duì)變壓器的(de)影(yǐng)響
諧波電流使變壓器的(de)銅耗增加，特别是3次及其倍數次諧波對(duì)三角形連接的(de)變壓器，會在其繞組中形成環流，導緻繞組過熱(rè);對(duì)全星形連接的(de)變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分(fēn)布電容較大(dà)或者裝有中性點接地的(de)并聯電容器時(shí)，可(kě)能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。
對(duì)輸電線路的(de)影(yǐng)響
由于輸電線路阻抗的(de)頻(pín)率特性，線路電阻随著(zhe)頻(pín)率的(de)升高(gāo)而增加。在集膚效應的(de)作用(yòng)下(xià)，諧波電流使輸電線路的(de)附加損耗也(yě)增加。在供應電網的(de)損耗中，變壓器和(hé)輸電線路的(de)損耗占了(le)大(dà)部分(fēn)，所以諧波使電網網損增大(dà)。諧波還(hái)使三相供電系統中中性線的(de)電流增大(dà)，導緻中性線過載。輸電線路存在著(zhe)分(fēn)布的(de)線路電感和(hé)對(duì)地電容，它們與産生諧波的(de)設備形成串聯回路或并聯回路時(shí)，在一定的(de)參數配合條件下(xià)，會發生聯諧振或并聯諧振。一般情況下(xià)，并聯諧波的(de)諧振所産生的(de)諧波過電壓和(hé)過電流對(duì)相關設備的(de)危害性較大(dà)。當注入電網的(de)諧波的(de)頻(pín)率位于在網絡諧振點附近的(de)諧振區(qū)内時(shí)，會激勵電感、電容産生部分(fēn)諧振，形成諧波放大(dà)。在這(zhè)種情況下(xià)，諧波電壓升高(gāo)、諧波電流增大(dà)将會引起繼電保護裝置出現誤動，導緻損壞設備，與此同時(shí)還(hái)可(kě)産生相當大(dà)的(de)諧波網損。對(duì)于電力電纜線路，由于電纜的(de)對(duì)地電容比架空線路約大(dà)10-20倍，而感抗約爲架空線路的(de)1/2~1/3，因此更容易激勵出較大(dà)的(de)諧波諧振和(hé)諧波放大(dà)，造成絕緣被擊穿的(de)事故。
對(duì)電力電容器的(de)影(yǐng)響
随著(zhe)諧波電壓的(de)增高(gāo)，一方面會加速電容器的(de)老化(huà)，使電容器的(de)損耗系數增大(dà)、附加損耗增加，從而容易發生故障和(hé)縮短電容器的(de)壽命另一方面，電容器的(de)電容與電網的(de)感抗組成的(de)諧振回路的(de)諧振頻(pín)率等于或接近于某次諧波分(fēn)量的(de)頻(pín)率時(shí)，就會産生諧波電流放大(dà)，使得(de)電容器因過熱(rè)、過電壓等原因而不能正常地運行。
影(yǐng)響繼電保護和(hé)自動裝置的(de)工作和(hé)可(kě)靠性
諧波對(duì)電力系統中以負序(基波)量爲基礎的(de)繼電保護和(hé)自動裝置的(de)影(yǐng)響十分(fēn)嚴重，這(zhè)是由于這(zhè)些按負序(基波)量整定的(de)保護裝置整定值小、靈敏度高(gāo)。如果在負序基礎上再疊加諧波的(de)幹擾(如電氣化(huà)鐵道、電弧爐等諧波源)則會引起發電機負序電流保護誤動(若誤動作後引起跳閘，則後果會相當嚴重)、變電站主變的(de)複合電壓啓動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的(de)負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型号的(de)距離保護、高(gāo)頻(pín)保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動，就會嚴重威脅電力系統的(de)安全運行。
使測量和(hé)計量儀器的(de)指示和(hé)計量不準确
由于電力計量裝置都是按50Hz标準的(de)正弦波設計的(de)，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分(fēn)時(shí)，會影(yǐng)響感應式電能表的(de)正常工作。在有諧波源的(de)情況下(xià)，諧波源用(yòng)戶處的(de)電能表記錄了(le)該用(yòng)戶吸收的(de)基波電能并扣除一小部分(fēn)諧波電能，這(zhè)樣諧波源雖然污染了(le)電網，卻反而會少交電費;而與此同時(shí)，在線性負荷用(yòng)戶處，電能表記錄的(de)是該用(yòng)戶吸收的(de)基波電能及部分(fēn)的(de)諧波電能，這(zhè)部分(fēn)諧波電能不但使線性負荷性能變差，而且還(hái)要多(duō)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(yòng)戶。
幹擾通(tōng)信系統的(de)工作
電力線路上流過的(de)3、5、7、11等幅值較大(dà)的(de)奇次低頻(pín)諧波電流通(tōng)過磁場(chǎng)耦合，不但在鄰近電力線的(de)通(tōng)信線路中會産生幹擾電壓，幹擾通(tōng)信系統的(de)工作，影(yǐng)響通(tōng)信線路通(tōng)話(huà)的(de)清晰度，而且在諧波和(hé)基波的(de)共同作用(yòng)下(xià)，會觸發電話(huà)鈴響，甚至在某些嚴重的(de)情況下(xià)，還(hái)會威脅通(tōng)信設備和(hé)人(rén)員(yuán)的(de)安全。另外，高(gāo)壓直流(HVDC)換流站換相過程中産生的(de)電磁噪聲(3~10kHz)會幹擾電力載波通(tōng)信的(de)正常工作，并使利用(yòng)載波工作的(de)閉鎖和(hé)繼電保護裝置動作失誤，影(yǐng)響電網運行的(de)安全。
對(duì)供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響
諧波會使電視機、計算(suàn)機的(de)圖形畸變，畫(huà)面亮度發生波動變化(huà)，機内的(de)元件出現過熱(rè)，從而使計算(suàn)機及數據處理(lǐ)系統出現錯誤。對(duì)于帶有啓動用(yòng)的(de)鎮流器和(hé)提高(gāo)功率因數用(yòng)的(de)電容器的(de)熒光(guāng)燈及汞燈來(lái)說，因爲在一定參數的(de)配合下(xià)，會形成某次諧波頻(pín)率下(xià)的(de)諧振，使鎮流器或電容器因過熱(rè)而損壞。對(duì)于采用(yòng)晶閘管的(de)變速裝置，諧波可(kě)能會使晶閘管誤動作或使控制回路誤觸發。
諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響，已經引起了(le)社會的(de)廣泛關注。抑制諧波的(de)影(yǐng)響，提高(gāo)電能質量是電力企業當前面臨的(de)重大(dà)課題。它不僅要在電力系統中大(dà)力發展高(gāo)效的(de)濾波措施，還(hái)必須依靠全社會的(de)努力，在設計、制造和(hé)使用(yòng)非線性負載時(shí)，采取有力地抑制諧波的(de)措施，減小諧波侵入電網，從而真正抑制諧波對(duì)供電系統及其供用(yòng)電設備的(de)影(yǐng)響。
電能質量是指通(tōng)過公用(yòng)電網供給用(yòng)戶端的(de)交流電能的(de)品質，通(tōng)俗來(lái)說就是指電網線路中電能的(de)好壞情況。電能質量問題主要由終端負荷側引起。例如沖擊性無功負載會使電網電壓産生劇烈波動，降低供電質量。
随著(zhe)電力電子技術的(de)發展，它既給現代工業帶來(lái)節能和(hé)能量變換積極的(de)一面，同時(shí)電力電子裝置在各行各業的(de)廣泛應用(yòng)又對(duì)電能質量帶來(lái)了(le)新的(de)更加嚴重的(de)損害，已成爲電網的(de)主要諧波污染源。
電網系統中各個(gè)用(yòng)戶端配電網中使用(yòng)的(de)整流器、變頻(pín)調速裝置、電弧爐、電氣化(huà)鐵路以及各種電力電子設備不斷增加。給用(yòng)電網絡造成影(yǐng)響或者說是用(yòng)電污染。造成電壓不穩、過電壓、産生諧波等。諧波使電能的(de)生産、傳輸和(hé)利用(yòng)的(de)效率降低，使電氣設備過熱(rè)、産生振動和(hé)噪聲，并使絕緣老化(huà)，壽命縮短,甚至發生故障或燒毀。諧波還(hái)會引起電力系統局部發生并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量被放大(dà)，緻使電容器等設備燒毀。這(zhè)些負荷的(de)非線性、沖擊性和(hé)不平衡的(de)用(yòng)電特性，對(duì)供電質量造成嚴重污染。因而消除供配電系統中的(de)高(gāo)次諧波問題對(duì)改善電能質量和(hé)确保電力系統安全、穩定、經濟運行有著(zhe)非常積極的(de)意義。另一方面，現代工業、商業及居民用(yòng)戶的(de)用(yòng)電設備對(duì)電能質量更加敏感，對(duì)供電質量提出了(le)更高(gāo)的(de)要求。目前，諧波、電磁幹擾、功率因數降低已并列爲電力系統的(de)三大(dà)公害。
當電網的(de)電能質量被幹擾或污染，達不到國家相關标準時(shí)，就得(de)有針對(duì)性地對(duì)電網進行電能質量改善。要了(le)解電網電能質量的(de)實際情況，就必須有相應的(de)設備對(duì)其進行測試分(fēn)析，針對(duì)國内的(de)實際情況，我公司适時(shí)開發研制了(le)适合國情的(de)專業電能質量分(fēn)析儀器。
我公司的(de)電能質量分(fēn)析儀，諧波分(fēn)析儀，三相用(yòng)電檢查儀正是針對(duì)電網諧波等問題進行測試分(fēn)析的(de)設備，更多(duō)詳情可(kě)以随時(shí)咨詢。
