电网谐波的危害及治理方法

电网谐波的危害及治理方法

作者：史哲

来源：《科技创新导报》2011年第17期

摘 要:近年来,随着电子技术的发展,电子器件的大量运用,电网谐波污染也开始对电子系统和生物造成危害。本文先介绍了电网谐波产生的原因,然后点明了电网谐波存在造成的危害,最后提出了几种可以用来遏制电网谐波的方法。 关键词:电网谐波谐波危害抑制方法

中图分类号:TM711 文献标识码:A 文章编号:1674-098x(2011)06(b)-0112-02

The harm of harmonic wave in the power grid and management methods

Abstract:In recent years,with the development of electronic technology,electronic devices, the utilization of the harmonic wave in the power grid pollution also began to electronic systems and biological harm.This paper first introduces the causes of the harmonic wave in the power grid,then point out the existing harm caused by the harmonic wave in the power grid,and finally presents several can be used to contain the harmonic wave in the power grid method.

Keywords:harmonic wave in the power grid;Harmonic harm;Suppression method. 1 绪论

电力电子技术的发展,使得各种电子装置在工业、交通和家庭中广泛应用,由此产生的大量谐波的危害也日益严重。因此,抑制电网谐波是一个非常必要和重要的工作。在理想的情况下,电网电压是正弦的电压。但是在实际情况下,电网电压的实际波形由于一些非线性负荷而偏离正弦波形,也就是说会产生谐波。非线性负荷工作的时候会持续向电源反馈谐波,从而导致电网的电压和电流波形发生改变,功率降低,电网电能的产生、电缆传输和电器利用的效率降低,最后使得电能质量降低,引起电气设备产生附加损耗,发热,产生噪声和振动,使绝缘器件老化,使用寿命缩短。大量的谐波通过中性线路的时候会使线路发热,温度升高甚至有可能发生火灾。所以,作为衡量电能质量指标的谐波,为了保证电网系统的电子设备正常的工作,就必须采取必要的措施,抑制谐波,防止电网谐波产生破坏。

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2 电网谐波产生的原因

那么到底什么是谐波呢,用一句话来讲,谐波是指对非正弦交流量傅里叶级数分解后得到的频率高出基波频率N次倍的各种电量,也称为高次谐波。即(谐波频率=基波频率*N,N>1)谐波是一种干扰的波,影响电网的正常工作。

通常,理想的电网系统,电压与电流都是正弦波。在由线性元件(电容、电感和电阻)组成的简单电路里,电流和电压的关系成正比,电流是正弦波。然而,实际的供电系统,由于存在非线性负荷,流过负荷的电流与所加的电压不成正比的时候,就会形成非正弦的电流。对于任意周期的波形都可以分解成为一个基频的正弦波加上许多的谐波正弦波。这里讲的谐波频率指的是基频的整数倍,假如基频是50Hz,那么二次谐波为100Hz,四次谐波就是200Hz。所以,对一个电流波形来说,他可能有2次谐波,3次谐波乃至更多次数的谐波。电网谐波会使得供电的电压波形偏离理想状态的正弦波形。

电网谐波来自三个方面:一是发电质量不好产生的谐波,二是输电系统和配电系统产生的谐波,三是家用电器,机器设备等其他用电设备产生的谐波。

3 电网谐波的危害

3.1 增加各种设备的损耗,降低设备效率,影响设备寿命 3.1.1 谐波使电动机产生损耗和转矩

谐波在电动机工作的时候会产生附加的损耗和额外的转矩。集肤效应、涡流、磁滞随着频率增高而增强,从而造成电动机内的铁芯和绕组产生额外的附加损耗。虽然谐波电流产生的谐波转矩对电动机的影响不大,但是谐波产生的脉冲转矩,则可能出现例如电机转轴振动的问题。这样就会导致电动机的使用寿命缩短,不能正常工作,甚至使电动机损坏。 3.1.2 谐波使输出线路、变压器损耗增加

电网谐波会使输电线路的损耗增加。当输入电网的频率处于谐振点附近的谐振区域内的时候,输电线路会产生绝缘击穿。3次和3的倍数的谐波会对三角形连接的变压器产生影响,谐波在变压器工作的时候,在绕组中形成稳定的环流,使得绕组加热。绕组中性点接地的时候,可能会产生3次谐波共振,使变压器的附加损耗加大。 3.1.3 谐波使电容器发生故障

当电网中存在着高次谐波的时候通过电容器的电流也会变得更大,这样就使电容器电能损耗功率增大。对于膜纸介质电容器,虽然规定了有谐波的时候损耗功率是无谐波的时候损耗功

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率的1.38倍;同样,对于全膜电容器规定有谐波时的损耗功率是无谐波的时候的1.43倍,但是如果电网谐波含量很高,超出了电容允许的条件,就会使得电容器出现过电流和过负荷,从而使电容器发生异常,加速发热,最终使得绝缘介质会加速老化。当线路中存在并联电容器组的时候,这种现象会更加严重,谐波波形会扩大。谐波会使电压呈现尖顶波形,尖顶波形会诱发电容器局部放电,是绝缘物质加速老化的一个主要原因。一般来说,当电压升高10%,就会使电容器的寿命缩短一半。因此,当波形比较严重的时候,还会使电容器击穿,爆炸,从而使电容器报废。 3.1.4 对用电设备的影响

谐波会使电视机和计算机的图形产生畸变,使画面的亮度发生波动变化,使机器内部元件出现过热的现象,使计算机系统出现错误甚至死机。对生活中使用的荧光灯和汞灯来说,他们会因为在一些因素的共同作用下,产生谐波频率下的谐振,使荧光灯和汞灯内的镇流器以及电容器因为过热而坏掉。对采用晶闸管的一些变频装置,电网谐波则可能使晶闸管出现错误动作,或者使控制回路出现错误触发。

3.2 谐波影响人和其他动物的身体健康

人们都知道,我们生活中充满了各种各样的波,人和动物自身的生物波,广播电视的电磁波,生活中各种光线的光波,声音发出的音波,等其他各种波。这些波有的对人体有好处,有的对人体有害。从人和动物的生理学来说,当生物体内的细胞在受到刺激或者出于兴奋时,会在细胞膜上发生快速的电波动可逆翻转,如果该频率与谐波频率相近,则电网谐波产生的电磁辐射就会对生物体的脑磁场和心磁场产生影响。

4 治理电网谐波的方法

电网谐波关系到电力公司的切身利益,还关系到供电部门和广大消费者得利益。因此他是衡量供电系统供电质量的一个重要指标。为了减少谐波的危害,专家们经过多年的研究,开发了许多抑制谐波的方法。 4.1 使用无源滤波装置

现在比较常用的无源滤波器有以下几种:单调谐无源滤波器、高通无源滤波器和自动调谐无源滤波器。这其中,单调谐无源滤波器是用的最多的无源滤波器,它是利用串联的R、L、C构成的,在谐波源确定的情况下,施工员只需要将滤波器谐振次数简单设定成与需要滤除的谐波的次数等大,利用串联谐振电路对于该频率的谐波的呈零阻抗,就可以阻止该次谐波输入电网,达到滤除谐波的作用(如图1）。

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4.2 使用有源滤波装置

首先将有源滤波器安装在谐波负荷处,具体情况见下图图2。谐波负荷不仅吸取基波电流,还向系统输入高次的谐波电流。假如电源的电压是正弦三相系统,则滤波器补偿的电流应该与负荷高次谐波电流的波形大小相同而方向刚好相反。通过这种方法,利用滤波器中的逆变器跟踪输出等量大小的反向补偿电流,那么由负荷所产生的谐波电流就会被滤波器输入的电流抵消,这样就不会注入系统使电网损害。如果能够做到补偿的电流的大小等于基波无功量加上谐波量的和,那么系统电源就只需要提供基波有功量。有源滤波器与交流电无源滤波器相比,前者具有高度的可控性和快速的响应性,它可以自动跟踪补偿各种谐波,可以抑制闪变、自动补偿无功,且能做到一机多能。无源滤波器在性价比上更加划算,滤波性能不受到系统阻抗的影响,这样就避免了与系统阻抗发生谐振的可能性。(我感觉是有源滤波的特点)在国外发达国家高低压有源滤波技术已经应用于实践,我国只能运用到低压有源滤波当中。 4.3 加大换流装置脉冲数

加大换流装置的脉冲数,可以消除较大的低次谐波。对于电网来说,整流装置是它主要的谐波源之一,电流在其交流侧产生谐波次数为pk±1次的谐波,在直流侧则产生pk次的谐波(p为脉动数,k为整数),谐波电流的有效值与谐波次数是反比的关系。利用多脉冲组合成整流装置,如果整流器二次侧的整流脉冲次数越多,那么次数相对较低的谐波量被消去的就越多。故增加换流器的脉冲数,可以消除较大的低次谐波。通常增加换流脉冲数的方法有两种,一种是利用特殊的接线方法,使换流器形成多相流。还有一种方法是将相数少的换流器联接形成等效的换流器。 4.4 减少并联电容器组的放大效应

并联电容器组在电网中起着改善功率因数和调节电压的作用,当在并联电容器组中存在谐波时,在多种因素的作用下,电容器组会对谐波起着放大的作用,严重时发生的谐振会危及电容器自身及其附近其他用电设备的安全。一般来说,在电容器回路中,使用串联电抗器或者将电容器组的一些线路改为滤波器或者设定电容器组的最大容量等措施来抑制谐波的放大。 4.5 使用脉宽调制技术

脉宽调制法的设计思想是改变PWM输出波形的多个转换时刻,要求保证四分之一的波形的对称性。设计者可以根据输出波形的傅立叶展开式,使要消除的电网谐波的幅值为零、电网基波幅值为已经给定的量,这样就可以达到消除部分谐波并且控制电网基波幅值的设计要求,现阶段使用的PWM技术包括以下几种:最优脉宽调制、Δ调制和跟踪型PWM调制等。当然,还有很多种消除谐波的方法,在谐波产生处加滤波装置;增加限流装置或加串联电抗器;选择合适的供电电压,保证三相电压平衡,这些都可以降低谐波的影响。总之,我们要做的就是,要尽量谐波的发射量,要提高设备抗谐波的能力,再尽量做到消除谐波。

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5 结语

电网谐波的治理是一个系统的工程,它不仅关系到供电部门,也涉及到用户和设备制造商。在治理电网谐波的时候,应该充分考虑到系统里各种因素的影响,采取合适的方法,选择合理有效的方法治理谐波。当然,要消除谐波的污染,不仅仅需要电力系统发展高效的滤波方法,还需要依靠社会的努力,采取有效地抑制谐波的方法,减少谐波输入电网,从而减少谐波污染带来的损失,提高经济效益,才能真保证电网的强力运行,造福于社会。 参考文献

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