区域电网电力谐波分层控制及治理探析

区域电网电力谐波分层控制及治理探析

摘要:在区域电网中,针对谐波源分散、小水电众多且运行方式变化大的特点, 制订谐波分层控制和多谐波源的集中治理方法,提出相应的变电所电压、谐波和无功控制策略,研制相应的综控器并应用于实际的滤波治理工程。

关键词:区域电网 电力谐波 分层

供电局担负着地区电网的安全生产和运行,多年来一直关注电能质量这一新的技术问题,研究电能质量对电网的影响,以期采取更好的措施确保电网安全运行。由于电能质量问题属于电力部门面临的一项新问题,还处于探索阶段,因此需要分析谐波的危害,探讨监测谐波的方法,研究治理谐波的措施,以预防电能质量下降对系统运行和广大电力用户造成危害。

1、电网电力谐波产生的来源

电力网谐波主要来自于三个方面:一是发电电源质量不高产生谐波;二是输配电系统中产生谐波;三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。

产生电能的设备——发电机,由于其三相绕组在制作上很难做到绝对对称,铁芯也很难做到绝对均匀一致,加上其它的原因,发电电源多少也会产生一些谐波,但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁芯饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也越大,其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%左右。在用电设备中,下面一些设备都能产生谐波。

1.1晶闸管整流设备由于晶闸管整流在电机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛地应用,给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置主要采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,而馈送给电网的却含有大量的谐波。例如空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等,大都是用晶闸管、小功率的整流装置等电力电子元件,有的电器带小容量变压器。其励磁电流所占比例较大,虽然其单个容量小,数十瓦到数千瓦,但数量较多且分布很广,所产生的高次谐波也会对电力系统造成影响,加重电力网的谐波污染。统计表明:由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是最大的谐波源。

1.2变频装置含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速技术的发展,变频空调、变频洗衣机和变频电冰箱应用已日益广泛,变频装置的谐波含量与分布更大,对电网造成的谐波也越来越多。

1.3电弧灯、电石炉由于加热原料时,电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角

形连接线圈而注入电网。

1.4气体放电类电光源荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。高压气体放电灯利用有一定压力的汞、钠、镝、铟和金属卤化物的蒸汽,放电时有负电阻特性,故串接非线性的镇流器、高压钠灯和汞灯用得较多。高压气体放电灯主要用于街道、广场、露天矿等处的照明,其谐波特征是主要产生3、5、7次谐波,其谐波量随灯具的容量增大而幅度增大。分析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。

1.5家用电器有不少家用电器含有非线性元件,会产生谐波电流,主要有电视机、各种节能灯、电冰箱、洗衣机、空调、微波炉、电磁炉、录像机、计算机、激光打印机、充电器、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。

2、谐波对电力系统造成的危害

对于电力系统来说,电力谐波的危害主要表现在以下几方面。

2.1使设备的温度过热,降低设备的利用率主要原因是由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗、电能损耗,使导体的发热严重。

2.1.1增加输电线路的功耗谐波电流使输电线路的电能损耗增加。由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使电缆的允许通过电流减小。与架空线路相比,电缆线路对地电容要大10-20倍,而感抗仅为其仍一班,所以很容易形成谐波谐振,造成绝缘击穿。

2.1.2对变压器的危害谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损,降低变压器有效出力,谐波导致的噪声会使变电所的噪声污染指数超标,影响工作人员的身心健康。由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量。

2.1.3对电力电容器的危害含有电力谐波的电压加在电容器两端时,由于电容器对电力谐波阻抗很小,谐波电流叠加在电容器的基波上,使电容器电流变大、温度升高、寿命缩短,引起电容器过负荷甚至爆炸,同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振,使故障加剧。

2.2影响继电保护和自动装置的工作可靠性特别对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动,使其动作失去选择性,可靠性降低,容易造成系统事故,严重威胁电力系统的安全运行。

2.3对用电设备的危害

2.3.1电器产品电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变,画面亮度发生波动,

并使机内的元件温度出现过热,使计算机及数据处理系统出现错误,甚至损害机器。此外,电力谐波还会使测量和计量仪器的指示不准确并对整流装置等产生不良影响,它已经成为当前电力系统中影响电能质量的重要原因。

2.3.2感应电动机和变压器中的道理一样,谐波畸变会加大电动机中的损耗。零序谐波(3次及3的倍数,即“3N”次谐波)产生不变的磁场,但是因为谐波频率较高,故磁性损耗大大增加而将谐波能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言),而使电机的力矩下降,并和零序谐波一样,产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩,它和负序分量一起,可造成电机的振动而降低电机寿命。

2.4影响电网的质量电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变,从而降低电网电压,浪费电网的容量。

3、全网谐波水平的抑制和多谐波源的集中治理

为了该电网及用电设备的安全经济运行,为电力用户提供合格的电能质量,必须对该电网的谐波等电能质量作全面的治理,通过大量的测试和总结已基本查清了该电网的电能质量现状。为此,必须合理制订该电网电能质量治理的方案。

3.1无源滤波器低成本的无源滤波器是目前普遍采用的抑制谐波和无功补偿主要方法,该方法投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便。其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定,为了减少线损和提高谐波源发生地的治理效率,其治理地点一般要求在谐波源发生地。这种方法用于容量较大且数量单一的谐波源是合适的。对于小容量、多布点、密集分布的谐波源,用户安装滤波器难度较大,又不能保证各谐波源均设滤波器并同时投入运行。在对电网、对用户的安全、经济运行已经造成严重威胁的情况下,应考虑在变电站对多谐波源采取集中治理的方法。

3.2多谐波源的集中治理时谐波潮流的计算和滤波器容量确定

3.2.1谐波注入量针对多谐波源的谐波治理,在供电母线设滤波器时,其谐波注入量应计及两部分:

(1)供电区内的谐波性质和发生量;

(2)当投入滤波器后,与之相连的各变电站通过各电压等级线路和变压器传递的谐波量。

3.2.2谐波潮流计算和滤波容量确定在谐波潮流计算前应对区域电网的谐波进行一个全面详尽的测试,确定该地区的最大谐波发生量及相应的性质和分布。收集建立该地区的谐波潮流计算网络数据。确定装设滤波器的变电站需要的无功补偿量。并根据谐波总注入量与性质确定滤波器的容量和支路分配得到初始参数。进行谐波潮流计算,得出各点的谐波水平和滤波器承载的电流和电压。

多次修正滤波器参数,重复进行谐波计算,优化滤波效益和减少设备投资。最后确定工程实施参数。在滤波器容量确定和调谐点设置等方面,与单个谐波源的治理不同,滤波器容量确定应考虑各种电网方式下不过载,合理的调谐点设置能防止过度吸收供电区外的谐波。

3.3全地区电网谐波治理思路由于整个地区电网的谐波水平很高,要进行治理时必须分析电网的网络阻抗特性和该地区的谐波源的分布及特性。对处于电网末端的110kV变电站首先治理,防止谐波电流渗透至高一级电网。对最先投入的滤波器不仅要考虑本变电站供电区域内的谐波源,还要计及与其相联的其余电网谐波的注入。对220kV变电站,合理选择并联电容器的串联电抗率,以抑制3次和5次谐波放大为主。对110kV及以下变电站10kV公用线供电成片谐波源负荷区进行集中治理,装设滤波器,对10kV专线用电的电弧炉、中频炉等大用户必须设滤波装置。

4、结论

随着该地区非线性负荷的增长,谐波污染的问题也日益突出,已严重威胁着电力系统的安全、经济运行,根据该地区负荷重,中频炉点多、面广,分散治理难度大的情况下,采用在变电站集中治理的方式,取得了良好的效果。而且在运用原有电压、无功控制器的基础上,开发设计了电压、谐波和无功综合控制器,使电压、无功控制和谐波治理有机地结合在一起,提高了综合治理的自动化水平,使各项电能指标达到了国家标准。

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