谐波的危害和治理

谐波的基本概念

谐波频率是基波频率的整倍数,任何周期性非正弦波都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。

一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等。变频器主要产生5、7次谐波。

频率为基波非整数倍的分量称为间谐波,有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波。


 基波与3次谐波、5次谐波的波形图如图1、图2所示。

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              图1   基波与3次谐波的波形图

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          图2    基波与5次谐波的波形图






谐波的产生




(1)具有铁磁饱和特性的铁心设备

主要为变压器、电抗器等,此种设备产生的谐波较少。理论上,变压器正常运行时,本身不产生谐波,但是变压器磁通达到饱和时,主要会产生3次谐波。

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(2)以电弧为工作介质的设备

 如气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等。这类负荷谐波含量大,且有低次、偶次谐波。

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(3)以电子元件为基础的开关电源设备

如整流器、逆变器、变频器、相控调速和调压装置、大容量的晶闸管可控开关设备等。

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(4)不间断电源系统(UPS)

大功率UPS是通信电源系统中主要的谐波源,采用可控硅整流是UPS产生谐波的主要原因。UPS生产厂家提供的谐波指标通常是满载输出时的数据,而实际情况中UPS不可能运行在满载状态下。

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谐波的危害




(1)谐波对系统的普遍影响

首先,谐波会增加设备的铜耗、铁耗和介质损耗进而加剧热应力,从而运行中需要降低设备的额定出力。其次,谐波还可以使电压峰值增大,若忽略相位差,则峰值电压上升的标幺值就等于电压峰值系数,这种电压升高会导致绝缘应力升高,最终有可能使电缆绝缘击穿。最后,谐波还会引起负载设备损坏(这里负载设备损坏广义的定义为由电压畸变引起的任何设备故障或工作不正常),并缩短设备寿命。

另外,3倍数次谐波即使在负载平衡的情况下也会使中性线带电流,并且此电流有可能等于甚至大于相电流。这种情况会导致零地电位差的升高,而且中性线上的开关和电缆等的选取都需要做出适当调整。此外,如果谐波引起了谐振,则极大的谐振电流会在电源系统中引起更大的破坏。

(2)谐波影响柴油发电机组的正常供电

柴油发电机组的内阻相对市电要大得多,谐波所造成的电压波形失真也大很多。因此,在市电供电时,谐波的影响不易发现;但当油机供电时,谐波对供电系统的影响就会明显得多,比如使油机输出的电压波形出现严重失真。这时,如果油机的控制部分对严重失真的输出波形进行判断,就可能会认为是过压、超频等原因,从而造成油机停机;或者使UPS等通信重要负荷不能使用油机电源,而是依靠蓄电池放电供电,如市电停电时间过长,就会造成UPS停机。所以,针对输入电流谐波含量较大的设备,都要求必须增大油机与设备的配比倍数(即将油机降容使用),即将油机容量加大到设备容量的2~5倍,以减小谐波失真和绕组的发热等情况。但这种方法的成本是非常昂贵的,而且也不能保证UPS和柴油发电机组的完全兼容,由于柴油发电机组的欠载,还会引出油发电机组运行维护方面的问题。

另外,谐波使发电机的铜损和铁损增加。当发电机的自然振荡频率在脉动磁场频率附近时,发电机会发生超同步谐振。

(3)谐波对电容器组的影响

谐波对电容器组的影响也比较严重,主要有以下几种情况。

1)电容器由于谐波电流而过载,因为电容器的电抗随着频率的升高而减小,这使得电容器称为谐波的吸收点。同时,谐波电压产生大电流会引起电容器熔丝熔断。

2)谐波往往会使介质损耗增加,其直接后果是额外的发热和设备的寿命缩短。

3)电容器和电源电感结合构成并联谐振电路,其谐振频率可以计算得出。在谐振情况下谐波被放大,最终的电压会大大高于电压额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。

(4)谐波对变压器的影响

谐波环境下的变压器会受到如下损害。

1)负载损耗增加。负载损耗包括铜耗和杂散损耗(线圈涡流损耗)。杂散损耗是决定由非线性负载引起的变压器铁心额外发热损耗的最重要因素。

2)磁滞和涡流损耗增加。这些损耗会随着频率的升高而大大增加,而且由谐波引起的涡流损耗比由谐波引起的磁滞损耗大。

3)变压器电感与功率因数校正电容器之间可能产生谐振。

4)由于峰值电压增加而导致绝缘应力增加。

上述损耗会导致变压器发热及相应的寿命损失。

(5)谐波对保护装置、通信电路和电子设备等的影响

谐波还会干扰保护继电器、测量设备、控制电路和通信电路以及用户电子设备等,还会使灵敏设备发生误动作或元件故障。谐波在以下几个方面影响保护和控制装置、测量设备、通信电路和电子负载。

1)谐波影响断路器的开断能力。

2)受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时,机电型继电器的延时特性会改变。零序电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流,从而导致误跳闸。

3)测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性,从而导致计量不准确。

4)谐波通过感性耦合干扰电话线路。

5)由于过零点的移动,谐波影响电子装置和控制电路的正常工作。

6)谐波干扰用户负载,这对计算机系统特别值得关注。

7)谐波缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯的故障。






谐波的治理




谐波的治理应当首先考虑预防,控制好谐波产生的源头,使系统中产生的谐波尽量减小,就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此,在选择设备和构建系统时,就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。对于交流和直流两大类通信电源设备:在其他条件同等或类似的情况下,UPS系统应该优先选择12脉冲或者Delta变换的设备,直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。

在通信领域,为了使谐波尽量不对油机等设备的运行产生干扰,为了使整个供电系统更安全可靠,将整个系统中各点的电流谐波含量均控制在5%以内是最佳的选择。因此,在新建系统时,应对各种设备专门提出谐波指标相关的要求,以保证系统中的谐波在建设时就得到控制。

对于既有的用户低压系统来说,由于系统结构已经基本固定,谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。

(1)无源滤波

 无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。

无源电力滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。

滤波装置通常由若干个无源滤波器并联而成,每个滤波器在一个谐波频率附件或在某一个频带内呈现低阻特性,从而吸收谐波电流,使流入交流系统的谐波电流减小,达到抑制谐波的目的。

滤波器投入电网中工作时,往往与谐波源并联滤除特定次谐波电流。在基波下,滤波器通常呈容性,除了起滤波作用外,还可兼顾无功补偿的需要。

工程上使用的无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成,每组单调谐滤波器调谐于需要滤除的谐波频率上,或者谐波频率附近。当需要滤除更高频率的谐波电流而幅值又较小时,可以再加一组高通滤波器。

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无源滤波的优点如下:

1)其结构简单,电压和容量可以做的很大。

2)在吸收谐波的基础上还可以补偿无功,改善功率因素。

3)设计制造经验成熟,维护方便,造价低,运行费用也低。

4)对某一次高次谐波的吸收效果明显。

无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一条并联的低阻通路,其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比所决定,因而存在以下缺点:

1)滤波器一旦制成,性能参数难以变动,滤波特性受系统参数的影响较大。当系统参数改变,则滤波装置有可能失效甚至会引起谐振。因此当电网谐波阻抗降低时,滤波效果将随之降低;当电网参数不变而谐波电流增加时,可能使滤波器过载。此外,滤波器的电抗电容值通常也会有容差,也会降低滤波效果。

2)只能消除特定的几次谐波,由于无源元件本身的特性,会与电网阻抗一起作用引起谐振,而对某些次谐波会产生放大作用。当电网短路容量大(即电源阻抗小)时,则要求滤波器阻抗还要更小,即要求滤波器是精确调谐(锐调谐),但由于部件性能的容差和变动使滤波器的设计有很大困难。

3)谐波电流增大时,滤波器负担随之加重,可能造成滤波器过载。另一方面,由于滤波支路表现出电容特性,会产生超前的无功电流,如果系统原有的无功含量不大,就会出现无功功率过补偿,功率因数可能因此下降,而且会提升电网电压,这对某些设备也是不安全的。

(2)有源滤波

有源电力滤波器,是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流,并将模拟电流信号转换为数字信号,送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理,将谐波与基波分离,并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲,驱动IGBT或IPM功率模块,生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网,对谐波电流进行补偿或抵消,主动消除电力谐波。

有源滤波的优点如下:

1)实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应。

2)可同时对谐波和无功功率进行补偿,补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需要储能元件容量也不大,且补偿无功功率的大小可做到连续调节。

3)即使补偿电流过大,有源电力滤波器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用。

4)受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振,并能正常发挥补偿作用。

5)能跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。

6)既可对一个谐波和无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源集中补偿。

   谐波治理几种方法比较如下图所示。

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