1、諧波的來源
電網(wǎng)諧波來自于如下2個方面:
一、發(fā)電源質量不高產(chǎn)生諧波;
二、用電設備產(chǎn)生的諧波。
發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因,發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波,但一般來說很少。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經(jīng)濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波電流也就越大,其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。
在用電設備中,下面一些設備都能產(chǎn)生諧波。
1、晶閘管整流設備
由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道,晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器,也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明:由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%,這是******的諧波源。
2、變頻裝置
變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復雜,除含有整數(shù)次諧波外,還含有分數(shù)次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調速的發(fā)展,對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
3、電弧爐、電石爐
由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩(wěn)定,引起三相負荷不平衡,產(chǎn)生諧波電流,經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2~7次的諧波,平均可達基波的8%~20%,******可達45%。
4、氣體放電類電光源
熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性,可知其非線性十分嚴重,有的還含有負的伏安特性,它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
5、家用電器
電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等,因具有調壓整流裝置,會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中,因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小,但數(shù)量巨大,也是諧波的主要來源之一。
2、諧波的危害
電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染,正弦電壓波形畸變,使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設備出現(xiàn)許多異?,F(xiàn)象和故障,情況日趨嚴重。本文全面論述了電力系統(tǒng)中諧波的危害及產(chǎn)生情況,希望能引起我們的高度重視。
諧波的危害電力系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的,概括起來有以下幾個方面:
2.1 對供配電線路的危害
?。?)影響線路的穩(wěn)定運行
供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護,使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由于電磁式繼電器與感應式繼電器對10%以下含量高達40%時又導致繼電保護誤動作,因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優(yōu)點,但由于采用了整流取樣電路,容易受諧波影響,產(chǎn)生誤動或拒動。這樣,諧波將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。
?。?)影響電網(wǎng)的質量
電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。如民用配電系統(tǒng)中的中性線,由于熒光燈、調光燈、計算機等負載,會產(chǎn)生大量的奇次諧波,其中3次諧波的含量較多,可達40%;三相配電線路中,相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會疊加,使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外,相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率,從而降低電網(wǎng)電壓,浪費電網(wǎng)的容量。
2.2對電力設備的危害
?。?)對電力電容器的危害
當電網(wǎng)存在諧波時,投入電容器后其端電壓增大,通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器,雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負荷,損耗功率超過上述值,使電容器異常發(fā)熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時,還可能使電網(wǎng)的諧波加劇,即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形,尖頂電壓波易在介質中誘發(fā)局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強度大,對絕緣介質更能起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。一般來說,電壓每升高10%,電容器的壽命就要縮短1/2左右。再者,在諧波嚴重的情況下,還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。
?。?)對電力變壓器的危害
諧波使變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。同時由于以上兩方面的損耗增加,因此要減少變壓器的實際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。除此之外,諧波還導致變壓器噪聲增大,變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的,隨著諧波次數(shù)的增加,振動頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加,有時還發(fā)出金屬聲。
?。?)對電力電纜的危害
由于諧波次數(shù)高頻率上升,再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯,從而導致導體的交流電阻增大,使得電纜的允許通過電流減小。另外,電纜的電阻、系統(tǒng)母線側及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián),提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián),在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。
?。?)對電動機的危害
諧波對異步電動機的影響,主要是增加電動機的附加損耗,降低效率,嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產(chǎn)生負序旋轉磁場,形成與電動機旋轉方向相反的轉矩,起制動作用,從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流,當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產(chǎn)生機械振動,發(fā)出很大的噪聲。
(5)對低壓開關設備的危害
對于配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱,同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發(fā)熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。由此可知,上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生誤動作。
?。?)對弱電系統(tǒng)設備的干擾
于計算機網(wǎng)絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備,電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統(tǒng)中,產(chǎn)生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比,傳導則通過公共接地耦合,有大量不平衡電流流入接地極,從而干擾弱電系統(tǒng)。
(7)影響電力測量的準確性
目前采用的電力測量儀表中有磁電型和感應型,它們受諧波的影響較大。特別是電能表(多采用感應型),當諧波較大時將產(chǎn)生計量混亂,測量不準確。