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电力系统谐波的出现与基本治理方法

更新时间:2019-10-02 发布:m.1024sj.com

[摘要]本文分析了电力系统谐波泛起的缘由,提出了一些治理谐波的基本方式,同时介绍一些单元取得成功的经验,指导了电力用户对整流装备的选择。
  [关头词]非线性负荷、谐波份量、整流装备、开关电源装备、滤波器

引言  电能质量的黑白,直接影响到工业产物的质量,评价电能质量有三方面尺度。首先是电压方面,它包括电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等;其次是频率波动;最后是电压的波形质量,即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率,也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的尺度和规范。  随着科学技术的成长,随着工业生产水安然平静人平易近生活水平的提高,非线性用电装备在电网中年夜量投运,造成了电网的谐波份量占的比重越来越年夜。它不仅增加了电网的供电消耗,而且干扰电网的庇护装配与自动化装配的正常运行,造成了这些装配的误动与拒动,直接威胁电网的平安运行。举个常见的例子来说,电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行,简直比经常使用的白炽灯好,不仅亮度高又省电,而且使用寿命也长。可是相反,在年夜量投运节能灯后,就会发现节能灯的损坏率年夜年夜提高。这是由于节能灯长短线性负荷,它发生较年夜的谐波污染了这一片电网,造成三相负荷基本平衡情况下,中心线电流居高不下,线电压与相电压之比比:1要小得多,造成了该片电网供电质量下降,用电装备发烧增加,电网线损增加,使得该区的配变发烧严重,严重影响其使用寿命。是以我们对非线性用电装备发生的谐波必需进行治理,使谐波份量不跨越国家尺度。1、电力系统中谐波的来历  电力系统中的谐波来自电气装备,也就是说来自觉电装备和用电装备。由于发机电的转子发生的磁场不成能是完善的正弦波,是以发机电发出的电压波形不成能是一点不失真的正弦波。今朝我国运用的发机电有两年夜类:隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发机电,凸极机多用于水轮发机电。  对于谐波份量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技前进,可控硅、IGBT等电子励磁装配的投进,使发机电的谐波份量有所上升。当发机电的端电压高于额定电压的10%以上时,由于机电的磁饱和,会使电压的三次谐波较着增加。一样在变压器的电源侧电压跨越额定电压10以上时,也会使二次侧电压的三次谐波较着增加。由于电网电压偏移在±7%以下,所以发电、变电装备发生的谐波份量都比力小,比国家的考核尺度低的多,是以发电、变电装备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。  为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾长短线性用电装备,也就是说非线性用电装备是主要的谐波源,非线性用电装备主要有以下四年夜类:

  • 电弧加热装备:如电弧炉、电焊机等。
  • 交流整流的直流用电装备:如电力机车、电解、电镀等。
  • 交流整流再逆变用电装备:如变频调速、变频空调等。
  • 开关电源装备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
  这些用电装备都长短线性用电装备,但它们发生的谐波各不不异,具体举例分析以下:  电弧加热装备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,而且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性(如图所示)。  此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流长短正弦波,造成电弧加热装备对电网的谐波污染比力年夜,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪4、五十年月已普遍运用。由于那时电弧加热装备量少,电焊机运用的同时率就更小了,对整个电网的影响比力小,但在那时已发现在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很年夜,有较年夜的谐波影响。  交流整流直流用电装备的谐波发生的缘由是由于整流装备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零(如图图所示)。这类用电装备为了提供平稳的直流电源,在整流装备中加进了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的发生量。为了控制直流用电装备的电压和电流,在整流装备中运用了可控硅,这使得该类装备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比力低。  交流整流再逆变用电装备,在交流变直流进程中发生的谐波与上述的交流整流直流用电装备一样,它在直流逆酿成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类装备发生的谐波份量不仅有低次谐波,也有高次谐波(如图所示)。  虽然这类装备单台容量比上述两类装备容量要小,但它的散布面广,数目多,是今朝推行使用的技术手段,是以它的谐波污染应引发足够关注。  开关电源装备今朝运用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,经由过程开关管控制变压器低级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电装备。此外,开关电源的频率比力高一般在40kHz左右,不仅在整流时发生谐波,而且在开关管开闭时,反射40kHz左右的波至电源。这类用电装备一样是单台容量不年夜,但它是运用面最广、量最年夜的非线性用电装备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会经由过程配变污染到10kV电网。2、谐波治理的基本方式  今朝谐波治理的基本方式有以下三种,在治理进程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电装备处罚散治理两种方式。按谁污染谁治理的原则,应当在非线性用电装备处罚散治理。但对于电脑,彩电,节能灯等平易近用装备,则只能进行集中治理。  1、削减非线性用电装备与电源间的电气距离。也就是削减系统阻抗,换句话说就是提高供电电压品级。例如,在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果,该钢厂原是用35kV供电,由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电,而它的主要用电装备是电弧炉,虽然进行了五次、七次谐波治理,但在110kV的35kV母线上测得谐波份量仍接近或稍超国家尺度。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右,用5回35kV专线供电,使35kV母线的谐波份量控制在国家尺度之内,此外该厂还使用了较年夜容量的同步发机电,使这些非线性负荷的电气距离年夜年夜下降,使该厂生产的谐波对电网的风险性下降,这类方式投资是最年夜的,往往需要和电网成长计划相协调。  2、谐波的隔离。非线性用电装备发生的谐波,它不仅直接影响到本级电网,而且经过变压器后,还会影响到上几级电网。若何把这些非线性用电装备发生的谐波不影响或少影响其他几级电网,这也是谐波治理的一个基本方式。这一方式在电网中普遍采用,发机电发出的电能经过Y/△、Y0/△、Y0/Y等接线组此外变压器,把发机电发生的三次、九次等零序份量的谐波与上级电网隔脱离来,是以在110kV以上高压电网上,3、九次谐波份量很小,几近是零。而10kV由于年夜大都配变为Y/Y0接线,35kV也有少许Y/Y0接线的直配变,是以在10kV和35kV系统中3、九次谐波份量会比高压电网年夜。为了削减低压对10kV电网的影响,我局现在10kV配电系统中推行使用了D,yn11接线组此外配电变压器,有用的削减了3、九次谐波的影响。  3、安装滤波器。今朝对变电所侧和用户侧谐波治理的方式,多采用安装滤波器来削减谐波份量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两年夜类。  有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比力,差额部门由有源滤波器进行抵偿,这是谐波治理的成长标的目的。今朝由于功率电子元件容量做不年夜、电压做不高,而且成本很高,是以在现阶段不成能年夜量推行运用。随着科学技术的成长,功率电子元件的成本下降,这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。  无源滤波器是经由过程L、C串联或并联,使其在某次谐波发生谐振,当发生串联谐振时,使滤波器两头该次谐波的电压很小,几近接近零,这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处,从而使变压器的一次侧该次谐波的份量也很小,到达对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于对5、7、十一次谐波治理中,而且往往同时采用两组以上滤波器,谐振在5、七次,同时起抵偿电容器组的作用。今朝,在电力行业中,它多用于35kV和110kV变电所的10kV母线上,两组滤波器中的电容器容量年夜于变电所无功抵偿容量,串联电感后,谐振在5、七次谐波频率中,使无源滤波器一物二用,具体计较公式以下:  当无源滤波器中,L、C串联谐振在n次谐波频率时,。  电容器和电感在工频时的参数:Xc=n2XL得,当n=5时,Xc=52XL=25XLUc=1.04U,Qc=1.04QLC当n=7时,Xc=72XL=49XL,Uc=1.02U,Qc=1.02QLC  一般在电容器无串联电感时,电网额定电压为10kV,变压所母线电压在10.5kV以上,电容器额定电压多选用11kV/。是以,用整治五次谐波的滤波器电容额定电压就常拔取11.5kV/或12kV/,用来整治七次谐波的滤波器电容额定电压就常拔取11kV/。  可是由于计较精度和电容器、电感器的制造精度等缘由,若按计较成效数据来配备,在尺度化审查时就通不外,为了保证串联滤波器能在5、七次谐波频率时谐振,我们要求电感有一定的调理范围,从而确保滤波器能正常工作。具体调试方式以下图,调理电感,在谐波分析仪中该次谐波值最小时,则认为滤波器已调试成功。3、谐波治理方式的总结和成长  在电力系统中,供电电压波型是中心对称的,是以基本上不含有偶次谐波,主要存在在奇次谐波,而3、九次谐波可以经由过程Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比力高,而且输电线路有一定电感量,对地又有一定电容量,相间及线间也有一定电容量。是以,高次谐波在线路传输进程中衰减比力快,同时高次谐波在电网中所占的比重也不年夜,故在电力行业中不作为主要整治对象。  在10kV配电系统中,配变多采用Y/Y0接线,Y0(400V)侧由于有非线性用电装备,会发生3、5、七……次谐波,5、七次谐波可以用串联LC滤波器进行治理,而对三次谐波往往采用并联谐振使三次谐波在主变一次侧和二次侧之间进线隔离,其原理以下:  当L、C并联谐振在三次谐波频率时,三次谐波电流流不外主变二次侧线圈,从而使主变一次侧感应不出三次谐波的电压份量,同时使中性线三次谐波电流年夜年夜下降。  a、综上所述,对于电力行业的谐波治理方式有以下四种基本方式:  1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组此外变压器,隔离3、九次谐波。  2、采用L、C串联无源滤波器,对5、七次谐波进行治理。  例如,丽水局的110kV景宁变电所由于10kV负荷中,中频炉据有较年夜比重,从实测数据看,主导谐波为5、7,11,13,19,32,33,34,36,38次。抵偿电容器的投进后,对低次谐波有放年夜作用,10kV母线电压畸变率由6%上升为8.5%,对高次谐波有一定滤波作用,而且电容投进运行后,会使电容器端电压升高,致使电容器损坏。今朝,在1、二段母线上各加一组五次和七次滤波器(容量为200kVAR×18只五次;200kVAR×12次七次)后,不单使5、七次谐波有较着压制,而且提高了功率身分,使供电量增加、线损下降。具体测试数据以下:总谐波3次谐波5次谐波7次谐波11次谐波治理前6.050.73.752.361.52电容器投进8.020.955.864.781.63治理后3.780.71.20.41.5  3、采用L、C并联无源滤波器,对三次谐波电流进行阻塞。  例如,本市中心医院的外科年夜楼及门诊楼引进新的进口装备,由于低压系统有三次谐波份量,造成新引进的医疗诊断装备不能正常运作,医院采用了L、C并联无源滤波器,串接在变压器中性点上,从而使三次谐波获得压制,使医疗诊断装备能够正常工作。  4、增强电网建设,扩年夜电网容量,增加旋转备用容量。  b、对于非线性用电装备的谐波治理方式有以下五种方式:  1、对电弧加热用电装备,采用多相(六相、十二相等)电弧炉变压器,从而使低次谐波份量下降,高次谐波份量上升。今朝最经常使用的是Y/Y0、Δ/Y0两变压器划分接两台不异容量的电弧炉,并使两炉同步作业,经由过程LC串联无源滤波装配进行局部治理,到达用电装备发生的谐波不超标。  2、对于交流整流直流用电装备采用多相整流。多相整流发生的谐波多为整流相数±1次,对12相整流装备,谐波份量最年夜是11次和13次,而对24相整流装备,则是23次和25次。谐波频率越高,L、C串联滤波器的投资越小,谐波在输电线路中传输衰减越快。  3、开关电源装备谐波治理。工业用的典型装备是中频炉,今朝普遍采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器低级并联,带两台不异容量中频炉同步运行,以提高整流时发生谐波的次数,在中频变换中进行L、C串联吸收,以削减中频谐波反射到电源侧,其接线以下图所示,  例如,浙江省青田县特种钢厂,引进了美国生产的中频炉,采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器划分接中频炉,使其发生的谐波对电网的影响较着下降。  4、变频器的谐波治理。在蓬勃国家中是变频器和变频器谐波治理装备是配套供给的,由于变频器的装备价格和配套的变频器谐波治理装备的价格相差不多,我国的很多多少用户,往往只安装变频器,不安装配套的谐波治理装备。随着变频技术的推行,会使电网中的谐波影响加重,是以希看用电经管部门做好用户工作,做到变频器与配套的谐波装配两者同时设计,一起投运。  5、用户侧多投一些同步电念头,它一方面可以进行无功抵偿,削减电压波动及电压闪变,另外一方面它又能吸收一部门谐波电流,对谐波治理也有很年夜益处。例如,遂昌钢厂,在同步电念头全开时,110kV古市变和金溪变35kV母线的电压,谐波份量基本能在允许范围内,若是同步机停运,则这两点的电压谐波份量会超标,是以用户投进同步机对电网是有益的。  单相电焊机它是一个谐波源,在五十年月泛起过电念头带动直流发机电。直流发机电提供电焊机电源,这也是一种谐波治理方式。在三十年月,上海的电车、电镀都是用交流电念头带动直流发机电来供电车和电镀电源。可是在整流技术成长的今天,我们固然不会使用这一落后的技术手段来治理谐波,而是采用价格低廉的无源滤波器。  在供电系统中进行谐波治理有很多坚苦,非线性负荷不是24小时平稳运行的,如电弧炉、中频炉在出炉时会停运,在融化和冶炼进程中,出力又有变化,是以谐波是在变化的。所以采用一个或几个固定的无源滤波器的投切,不成能和非线性负荷变更进行同步,而今朝有源滤波器又不成能年夜力推行。从技术上说,今朝对谐波治理有一定难度,而且虽然串联L、C无源滤波器对5、七次谐波起了治理作用,可是对某次谐波在某个条件下会起放年夜作用,从这一点来看,希看增强用电装备的治理工作。  在变电所抵偿装备中串进一定电感,可以使之成为5、七次谐波治理装备,同时还可以起到抵偿作用,以到达一物二用。但在设计方面则要请有丰硕经验的设计单元设计,在浙江省可以请浙江省电力实验研究所,他们在5、七次谐波治理中已取得了很好的功效,在他们的指导下,各供电企业可以自己脱手,从小到年夜做一些谐波治理工作,解决一些谐波污染问题,这对各供电企业的自身提高是有扶助的。
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