在衡量电力系统电能质量的标准时 ,仅考虑满足频率和电压的允许偏差值是不够的 ,波形畸变也是影响电能质量的一个重要因素。近年来 ,由于电力电子技术和计算机技术的飞速发展 ,电气设备越来越多地采用了高效节能新技术 ,同时出现的非线性负荷 ,也产生了大量的谐波电流 ,对电力系统及相关设备的危害非常严重 ,因而必须考虑限制和治理谐波产生的污染。
1 畸变波形的分析与谐波源
在电力系统处于稳态的情况下 ,理想的电压波形应为正弦波 ,但是 ,如果系统中有较强的谐波源 ,又没有采取有效的限制措施 ,电网的电压及电流波形就会发生畸变。用傅立叶级数将畸变的电压波形 u ( t ) 表示成 N 个正弦波的叠加 ,即:u ( t ) = ∑ ∞n = 12 UnS i n ( nω1 t +αn) (1)式中Un —n 次谐波电压有效值;αn —n 次谐波电压初相角。图 1 基波与 3 次及 5 次谐波组成的畸变波形 式(1)中 n 为奇数的谐波称为奇次谐波 , n为偶数的称为偶次谐波。图 1 近似表示了由基次谐波和 3 次及 5 次谐波叠加形成的畸变波形u ( t ) 。畸变波形偏离正弦波的程度称为畸变率 ,电压正弦波形的畸变率为:Du =100 6 U2nU1% (2)式中 U1 为基波电压有效值。引起波形畸变的谐波源是多种多样的。发电机在发出基波电势的同时 ,也有谐波电势产生。按标准设计的发电机 ,由于采取了许多削弱谐波的措施 ,其电势的谐波含量很少 ,一般可以忽略不计 ,而太阳能和风能发电的谐波论文格式问题较为突出。变压器在额定电压运行时 ,其铁心工作在线性范围内 ,谐波含量不大 ,但在夜间 ,尤其在一些偏远地区 ,由于运行电压较高 ,铁心饱和程度加深 ,负荷很轻时 ,激磁电流占总电流的比例较大 ,激磁电流含有较大的三次谐波分量 ,对电网的波形影响较大。大容量的晶闸管换流装置和硅整流器的出现 ,使电力电子技术在高压直流输电、 无功补偿和化学、 冶金工业等方面得到广泛的应用 ,提高了电能的传输和转换效率 ,但同时也产生了高次谐波 ,特别是大型轧钢机、 电力机车、 泵、 电镀装置等非线性负荷 ,若不采取措施 ,将对电网造成严重的谐波污染。小型的家用电器 ,如彩电、 冰箱等 ,虽然单台容量不大 ,但是数量很多 ,产生的谐波电流也不可忽视。另外电力系统不对称运行和不对称故障 ,以及电弧的非线性特性 ,也会引起高次谐波。
2 电力系统的谐波危害
谐波污染对电力系统的安全及经济运行造成了极大的影响。电力系统中的谐波分量 ,可能产生局部的并联谐振和串联谐振 ,导致接在谐波支路中的电气设备因过电压和过电流而损害。如变压器刚通电瞬间 ,激磁涌流中的谐波电流可能达到和超过变压器的额定电流 ,正常情况下 ,不会构成对变压器的危害。对于双星型接法的变压器 ,在谐振条件下 ,可能使激磁电流中的三次谐波倍增 ,严重影响变压器和附近其它设备的安全。谐波引起设备的附加损耗 ,降低了设备的使用效率 ,还可能使绝缘加速老化 ,缩短设备寿命。如汽轮发电机承受超过额定电流 10 %的谐波电流时 ,将明显发热;超过 20 %时 ,可能出现较严重的故障。凸极发电机允许的谐波电流比汽轮发电机要大 ,但在承受较大的谐波电流时 ,缩短绕组绝缘寿命。电网谐波电压叠加在电容器的基波电压上 ,不但使电容器的运行电压升高 ,严重时使电容器在运行中发生局部放电且不易熄灭。变压器、 电机等设备也会因谐波电流引起附加铜耗和铁耗 ,出现局部过热现象。谐波严重影响电力系统的运行 ,会导致某些不正常的工作状态。超高压长距离输电线 ,较大的谐波电流会使电弧熄灭延缓 ,导致单相重合闸失败 ,造成事故。消弧线圈接入系统后 ,较大的谐波电流分量同样会延迟和阻碍灭弧作用。谐波对不同的继电保护装置有不同程度的影响。谐波分量较大时 ,有的继电器误动或拒动。如零序电流过大 ,可能引起接地保护误动作。谐波电流通过电容耦合、 电磁感应、 电气传导等方式 ,造成通讯线的干扰 ,还影响通话的清晰度;更严重的是 ,如果高次谐波频率接近载波频率时 ,还会产生谐振。此外 ,谐波分量对晶闸管触发系统及控制装置都易导致误动作。对于一般的感应电动机 ,由于谐波所产生的脉动电压 ,可能会引起电机振动。谐波还会引起仪表误差和产生测量误差。常用的感应式电表是按工频正弦电压波形设计的 ,畸变波形将会影响它的正常工作。如某些用户将谐波电流输入电网时 ,因电度表错误的记录可能会少交电费;如谐波电流进入用户时 ,可能使其多交电费 ,这些都必须通过加强对电力系统谐波的管理和治理来解决。
3 电力系统谐波的管理与治理
对电力系统的谐波进行管理与治理时 ,首先应弄清电力系统中的谐波源和谐波的分布状态。图2 是谐波管理和治理的示意图 ,对于已知的谐波源 ,通过测量和计算 ,如在谐波标准允许的范围图 2 电力系统谐波管理和治理示意图内 ,才能接入电网 ,接入电网后还要继续监控;对没有达到允许谐波标准的谐波源要采取治理措施 ,防治谐波在系统的扩散分布。如果系统中某些谐波源是未知的 ,需要在系统中的某些点测量谐波 ,这涉及到谐波状态估计与谐波潮流分布计算问题。一般用谐波分析仪来测量和分析高次谐波 ,也可以采用数据记录器 ,或者用频率响应和谐波序分量来分析测量谐波阻抗。谐波计算的目的是估计谐波源接入电网后的影响 ,以及谐波源接入电网时需要采取的措施。在有多个谐波源的情况下 ,应采用计算机来计算谐波潮流 ,才能算出电力系统各结点的电压波形畸变值及相关支路的谐波分布。对简单局部的配电网 ,可估算 ,特别要注意校验是否会产生谐波放大和谐振。如果谐波源注入电网的谐波电流或系统的谐波电压波形畸变率超过标准的规定值 ,应执行以下的管理和治理措施。(1)首先应考虑减少谐波源的谐波含量。例如对各种大型换流装置 ,应根据具体情况增加换流装置的相数或脉冲数 ,减少谐波电流的产生。(2)在一些大型谐波源附近 ,采用交流滤波装置 ,吸收谐波电流。(3)增大谐波源母线处的相对短路容量 ,降低系统的谐波阻抗 ,减少母线谐波电压。(4)阻塞高次谐被在系统中的流动论文格式。如在高压直流输电线路上串联高频阻变装置;对于低压供配电系统 ,尽量采用星、 三角型变换的变压器 ,可以有效抑制谐波电流在电网内的流动。(5)加强对电力系统运行的实时控制 ,避免轻负荷、 高电压的运行状态 ,减少谐波电压过高 ,对系统电气设备的影响。(6)在设计和运行中 ,应注意避开并联电容器与系统感抗的谐振。(7)设置谐波监测点 ,测量电网中的谐波潮流。(8)在电网及电气设备出现异常情况时 ,要进行谐波检测分析 ,如属谐波造成的 ,则应采取措施 ,予以消除。如电力变流装置的有源滤波器 ,可对谐波源注入必要的高次谐波电流 ,使畸变的电源电流变为正弦波型。
