電網(wǎng)諧波的危害及抑制技術(shù)

　　隨著電網(wǎng)容量迅速增長(zhǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行電壓也不斷提高，國(guó)外輸電設(shè)備電壓已達(dá)1000kV?我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)入大電網(wǎng)時(shí)期，輸變?cè)O(shè)備電壓已達(dá)500kV。最近開(kāi)始西北地區(qū)黃河上游水電深度開(kāi)發(fā)，國(guó)家電力公司已批準(zhǔn)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(zhǎng)，對(duì)供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來(lái)越多，電力質(zhì)量(Power Quality)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(jī)場(chǎng)、大型金融商廈、大型醫(yī)院等重要場(chǎng)合的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電梯、空調(diào)等變頻設(shè)備、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、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(yùn)行，必定擾亂人們的正常生活。但是，電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開(kāi)關(guān)電源、電弧爐等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)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(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)日臻成熟。集成度愈來(lái)愈高的微電子技術(shù)使計(jì)算器的功能更加完美，體積愈來(lái)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(duì)更低，更易受外界電磁場(chǎng)干擾而導(dǎo)致控制單元損壞或失靈。例如，20世紀(jì)70年代計(jì)算機(jī)迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問(wèn)題更是十分突出，一些功能正常的計(jì)算機(jī)常出現(xiàn)誤動(dòng)作，而無(wú)法找出原因。1966年日本三基電子工業(yè)公司率先開(kāi)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(jì)算機(jī)的電源部分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在注入100～200V脈沖時(shí)就誤動(dòng)作，難怪計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法正常工作，其原因之一是計(jì)算機(jī)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(yùn)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(yùn)行癱瘓，會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

　　國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)已于1988年開(kāi)始對(duì)諧波限定提出了明確的要求。美國(guó)“IEEE電子電氣工程師協(xié)會(huì)”于1992年制定了諧波限定標(biāo)準(zhǔn)IEEE―1000。在IEEEstd.519―1992標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)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(duì)于醫(yī)院、飛機(jī)場(chǎng)等關(guān)鍵場(chǎng)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(jī)制造工藝的問(wèn)題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。

　　1.2　由非線性負(fù)載所致

　　1.2.1 非線性負(fù)載

　　諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)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(fù)載時(shí)，則負(fù)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(fù)載裝置

　　(1)開(kāi)關(guān)電源的高次諧波：開(kāi)關(guān)電源的示意圖見(jiàn)圖1。它由五部分組成：一次整流、開(kāi)關(guān)振蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個(gè)部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣;

　?、僖淮握骰芈吩肼暎哼@是電容輸入型線路，整流脈動(dòng)電壓要超過(guò)C1上的充電電壓，電流才從電源輸入，電流波形呈脈沖形(圖2)，對(duì)這種脈沖狀電流波進(jìn)行“傅立葉展開(kāi)”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;

　?、陂_(kāi)關(guān)振蕩回路：開(kāi)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(shí)也會(huì)形成噪聲;

　　③二次整流回路噪聲：首先，高次諧波流過(guò)L2-D5-L4-C2產(chǎn)生噪聲。電流突變過(guò)程中在L2、L4上的反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)形成噪聲;

　?、芸刂苹芈吩肼暎涸谕瓿煽刂七^(guò)程也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

　　這幾種干擾可以通過(guò)電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過(guò)電源產(chǎn)生傳導(dǎo)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(shí)，可以列出下列方程：

　　i0R1+N1=•U1•sin(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(shí)，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(shí)，磁通達(dá)到最大值Φ1=Φ1max=2Φm，如圖3。

　　鐵心中磁通波形對(duì)時(shí)間軸不對(duì)稱，考慮剩磁Φ0，則磁通波形再向上移Φ0，從而使對(duì)應(yīng)磁化曲線工作點(diǎn)移向飽和區(qū)，因此在磁通變化時(shí)，會(huì)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(guò)幾個(gè)周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)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(kāi)斷時(shí)的瞬態(tài)過(guò)電壓干擾：如果t=0時(shí)，CB觸頭剛分開(kāi)，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(shí)，電流為零，電弧熄滅，而電源電壓仍然按正弦變化，經(jīng)過(guò)半周到達(dá)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(dāng)t=t2時(shí)，如果此時(shí)弧隙介質(zhì)擊穿，這一過(guò)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=2•Um•ω0•C•cosω0t，(ω0=)

　　電容器上電壓為：

　　μc=idt=Um-2Umcosω0t (3)

　　因此，高頻電流ic經(jīng)時(shí)間第一次過(guò)零時(shí)，高頻電流被切斷，電容器上電壓Uc=3Um最大值，如果此時(shí)電弧被熄滅，則Uc將保持3Um不變。

　　t=t3時(shí)，Uj=4Um，此時(shí)弧隙又出現(xiàn)擊穿，則電容器電壓可達(dá)到5Um值。

　　實(shí)際上，由于觸頭間距在開(kāi)斷過(guò)程中不斷增加，因此介質(zhì)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度超過(guò)電壓增加速度，重?fù)舸┈F(xiàn)象中止，完成開(kāi)斷，所以電容上過(guò)電壓倍數(shù)不會(huì)達(dá)到3倍(上面的討論是假設(shè)弧隙重?fù)舸┌l(fā)生在電流過(guò)零后10ms，因此恢復(fù)電壓達(dá)到最大值)。

　　，用普通斷路器投切電容器c1時(shí)(c1處于20kV線路)，產(chǎn)生1.8(p.u)過(guò)電壓，導(dǎo)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(guò)電壓。

　　電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過(guò)電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過(guò)電壓會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)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(huì)經(jīng)常發(fā)生;

　　(4)電壓互感器鐵磁諧振過(guò)電壓：在我國(guó)10kV、35kV等級(jí)的中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對(duì)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(duì)地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)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(duì)地電容C在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過(guò)電壓。為了分析，我們先看一下圖5，它是典型的L、C并聯(lián)電路。圖中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(guò)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(dòng)機(jī)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(wú)窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，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(jí)數(shù)展開(kāi)式展開(kāi)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(shuō)電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)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(guò)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(dòng)機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過(guò)熱。

　　這些高次諧波是通過(guò)三個(gè)途徑竄入產(chǎn)生干擾的。其一是通過(guò)電容耦合;其二是通過(guò)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(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)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?gòu)碾姌O上落下，電弧熄滅，電源又開(kāi)路，因此，可以說(shuō)冶煉過(guò)程是頻繁的短路-開(kāi)路-短路的過(guò)程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)及白熾燈閃爍，一般電壓波動(dòng)頻率是0.1Hz～幾十Hz，這種諧波是以3次諧波為主。

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