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        電網的諧波及危害
        添加時間: 2009/10/9 點擊次數:


        高、低配電網是電網直接對分散的用戶進行供電的電網,也是諧波污染最嚴重的地方,諧波污染既危害廣大的電力用戶,又危害電網,特別是當前大量的家用電氣的接入和一些家庭加工業,鄉鎮化工、軋鋼、冶煉工業的發展造成大量整流、變頻、逆變、電磁(如;晶閘管整流設備、變頻裝置、點弧爐、電石爐、氣體放點累電光源、家用電器……)等非線性負荷接入配網運行,產生大量的諧波電流和電壓,既造成了電網損耗的增加,又對電氣設備造成危害,威脅電網的安全運行。本文分析了配網的動態諧波源和靜態諧波源,分析了諧波對低壓電氣設備的危害,提出相應的一些對策。

        一、諧波的概念

        電網諧波主要來有3個方面:a、發電源質量不高產生的諧波;b、輸配電系統產生的諧波;c、用電設備產生的諧波。其中用電設備產生的諧波最多。正常情況下,電網電壓波形成正弦規律周期性變化,其函數關系為:  

                        

        式中U為電壓的有效值;為角頻率;為初相角; U、、被稱為該電壓正弦波的三要素; 稱為基波。正弦周期函數進行加、減、積分、微分運算時,其結果任然是正弦周期函數。非線性負荷接入電網后就會使電網電壓的正弦波發生畸變,這種畸變的波形函數以級數形式展開為許多與基波頻率成整數倍的不同頻率的高次頻率波形函數。我們稱這些與基波頻率成整數倍的許多高次波為高次諧波。致使電網波形畸變產生諧波的設備稱為諧波源。

        二、諧波源

        1、動態諧波源

               基波是由發電廠中的發電機產生的,而諧波則是由于電網中各種非線性設備,不對稱運行等情況產生,在配電網中產生諧波的諧波源是很多的。由于配電網特別是低壓配電網的短路容量較小,許多較大的電氣設備,特別是使用單相電源的較大容量的家用電器,投入和切斷電源時就會造成電壓變化,產生涌流;單相接地間歇放電引起的諧振;電弧爐、小型軋鋼機、鍛造、電解設備的運行,以及電焊機的拉弧焊接,洗衣機正反轉變化,電冰箱和電熱沸水器的頻繁起動,手電鉆、沖擊鉆以及飼料加工機械和農用脫粒機等的工作,以及配電線路的投切都會使配網產生高次諧波。這些都是動態的諧波源。

        2、靜態諧波源

               電視機、電子計算機的電源所產生的諧波電流幅值與其基波電流數量級相同;UPS(不停電源)輸入、輸出變壓器均是非線性負荷,都會產生諧波電流和電壓,并且在三相系統的中性線上還將存在零序分量諧波;開關模式電源從電網中提取的是脈沖電流,而不是連續電流,因而產生三次及高次和非常高次諧波電流,如熒光燈的電子鎮流器工作時會產生相當大的諧波電流。還有電磁感應設備的電磁元件出現深度飽和時也導致電流和電壓波形的畸變。這些可以稱作靜態諧波源。

               在低壓配網中主要是3次、5次、7次諧波分量。如果一些工業用戶將電流變換器直接接在10KV配電網上,則會產生幅值較高的5次、7次、11次及13次諧波。對電網設備進行污染危害。

        三、諧波的危害

        1、對配電變壓器的危害:

               接線組別為Yyno的配變,三相四線制接線時,三次諧波電流在配變原副繞組中產生諧波電壓,并使中性點電壓產生動脈。另外由于奇次諧波相位相同,它們在中性線上的相量疊加,使中性線上的零序電流相量疊加,因此中線性上因為流過諧波電流而發熱。

             三相三線制接線時零序諧波由于相位相同,形成中性點電壓,使相電壓發生變化。

               對于接線組別為Dyno的配變,零序諧波電流在繞組中形成環流,使配變繞組發熱,降低配變壽命。

        2、對電力電纜的危害:

             由于諧波次數高頻率上升,再加上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,使得電纜允許通過的電流減少。另外,電纜的電阻、線路的感抗與系統串聯,提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯,一   定數值得電感與電容可能發生湝振。

        3、對電力電容器的危害:

        當電網存在諧波時,投入電容器后其端電壓增大,通過電容器的電流就增大,時電容器損耗功率增加。電容器的容抗與頻率成反比,頻率越高,阻抗越小,因而諧波電壓能使電容器的電流增大很多。超出電容器允許條件,就會時電容器過電流和過負荷,因而異常發熱,尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時,還可能是電網的諧波加劇,即產生諧波擴現象。在介質中誘發局部放電,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。當諧波與電容器的參數匹配時會產生諧振,使諧波得到方大,在諧波嚴重的情況下,造成電容器鼓肚、擊穿、群爆及更大的損失。

        4、對白熾燈的損害:

          白熾燈泡是一種應用十分廣泛的照明燈具,它的壽命與諧波的熱效應關系很大,畸變系數的增地縮短燈泡的壽命,而改變基波電壓相對來說比改變畸變系數的影響更大。

        5、對電動機的損害:
          
        諧波對電動機的損害主要是引起附加損耗,產生機械振動、噪聲和諧波過電壓。畸變波能使電動機鐵心磁飽和增加,特別是鐵心鉗繞組的磁部飽和贈加,使基波短路阻抗減小,一般認為,三相異步電動機的n次諧波電流的大小可通過下式計算: 式中:為n次諧波電流的均方根有效值;U為n次諧波電壓的均方根有效值;位基波電源頻率;為定子和轉子的有效泄漏電感之和。由于集膚效應的存在,當增大時,有效電感趨向減少。有實驗表明:在額定負荷下,當存在較大諧波電流時,電動機的漏抗會降低15%-20%,而且勵磁阻抗也要降低。如果內部線圈的電感可忽略不計,最小值就等于定子和轉子的的外泄漏電感。所以近似的等式為: 。

        諧波造成電動機附加損耗主要是銅損(引起的鐵心附加損耗可不計),反映諧波損耗的諧波電阻Rn和反映基波損耗的工頻電阻之比大于1,一般采用以下近似比值計算: 這樣可得出n次諧波引起的損耗為

                

              通過上式可以看出:電動機的諧波功率損耗 成正比,當給定時,磁飽和將引起下降,所以使上升。此外,磁飽和也會引起勵磁阻抗和基波負序阻抗的下降,使得在給定的電動機端電壓和基波負序電壓下勵磁電流銅損和負序電流損耗將上升。所以諧波使磁飽和程度增加,致使諧波所引起的異步電動機附加損耗和發熱的贈加要比單存由諧波本身引起的損耗和發熱要大得多。負序諧波產生反方向旋轉磁場和正序分量共同作用在電動機上,電機發生振動,使電機壽命降低。

        6、對電能表的影響:

           、機械式電能表系感性機構,在進行電能計量時,可以分以下三種情況:

        .畸變波電源供線性負荷,這時電能表計量的是基波電能和部分諧波電能,諧波會使用戶設備性能變壞。這樣用戶既受到諧波污染又多繳電費。

        .正弦波電源供非線性負荷,此時電能表計量的是基波電能減去部分諧波電能。這表明用戶污染了電網還少繳了電費。

        .畸變波電源供非線性負荷,這種情況就比較復雜了,基波電流是流向負荷的,而諧波電流則就不一定了,可能是流向負荷的,也可能是流向電源的,這要看具體情況了,最直接的方法就是用儀器來測量。

        、電子式電能表使用的是積分電路,無論是電網是向負荷提供諧波電流還是負

        荷向電網提供諧波電流都會積分計量在一起,這樣就會造成計量誤差。

        7、對低壓開關設備的危害:

                對于配電用的斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響而使鐵耗增大而發熱,同時由于對電磁鐵的影響與渦流的影響而使其脫扣困難,且諧波次數越高影響越大;熱磁形的斷路器,由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的短路器,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,額定電流降低的更多。由此可知,上述三種配電斷路器都可能因諧波產生誤動作。

                對于漏電斷路器來說,由于諧波會漏電電流的作用,可能是斷路器異常發熱,出現誤動或拒動。對于電磁接觸器來說,諧波電流使磁體部件溫升增大,線圈溫度升高使額定電流降低。對于繼電器來說,因受諧波電流的影響也要使電流降低。在工作它們都有可能造成誤動作。

        8、對弱電系統設備的干擾:

                對于計算機網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備,電力系統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中,產生干擾。其中電磁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。

        9、對通訊線路的影響:

              通常音頻通道的工作頻率約為:200-400Hz,而供電系統的許多諧波就在這個頻率范圍之內。由于電力線路和通訊線路的功率水平差別很大,所以供電系統中的諧波將引起可以察覺的,有時是甚至不能容許的干擾雜音。

        10、對整流、逆變裝置和邏輯控制電路的影響:

              整流裝置和晶閘管電路在各種電氣設備中得到了十分廣泛的應用,大到直流

                 輸電用的整流和逆變裝置,城市電車直流供電電源,小到變頻設備、電視機、微

                 機、交流穩壓電源、電池充電器以及不停電電源(UPS)等,一方面這些裝置

                 按一定的規律開閉不同電路,因而產生諧波電流注入電網,成為諧波源,另一方

                 面畸變的波形又影響他們及其負荷的正常運行;儾ㄒ鹂刂齐娐氛`差,造成

                 引燃角位移,整流裝置電流變化率、電壓變化率過高或過熱會引起設備故障和整

                 流原件損壞。這些都會給換流裝置帶來危害。同時某些整流裝置的邏輯控制電路

        往往因畸變電壓而導致運行誤差,造成運行錯誤。

        11、對熔斷器熔體的影響:

          熔體中的諧波電流產生過熱會造成其安秒特性曲線位移,因此電流低的故障要特別注意熔絲的選擇以防止誤熔斷停電,影響供電。

        12、諧波集膚效應的影響:

        交變的電流通過導體產生交變磁通,交變磁通與導體產生感應電動勢,致使通過導體內部的電流密度沿導體截面由中心向外變大,而中心電流密度最小,這就是通常所說的集膚效應。集膚效應既降低了導體的載流能力又增加了導體的自身損耗,并且隨著電流頻率的增加這種集膚效應更嚴重。一般工頻(50 Hz)情況下集膚效應造成的損耗較小,而諧波的頻率較高時,象5次諧波頻率為250Hz以上的諧波集膚效應造成的損耗和影響就十分顯著了。因此,在選擇導線時要考慮諧波的集膚效應影響,適當增加導線截面。

        13、諧波對人體也有危害:

            從人體生理學角度來看,人體細胞在受到刺激興奮時,會在細胞膜靜息電位基礎上發生快速波動或可逆翻轉,其頻率如果與諧波頻率相接近,電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的大腦與心臟。

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