消除高次谐波对电网的影响

消除高次谐波对电网的影响作者：唐山供电设计院来源：发表时间：2006-03-05浏览次数：286字号：大中小摘要：针对目前一些大工厂高压用户，特别是使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后，由于整流脉冲周期性关断和导通的特性，对于6脉冲整流回路，产生6n±1（n＝1，2……）次高次谐波。这些高次谐波电流流向电网，会严重的影响电网的质量。如果我们合理的设计选择交流滤波装置，就可以很好地滤掉高次谐波电压，以减少对电力网的影响，提高功率因数，降低谐波损耗。关键词：高次谐波；交流滤波装置；功率因素；电力网1前言随着现代化建设的迅猛发展，特别是钢铁、电气化铁路等所用的直流设备，三相对称的交流系统经过可控硅整流设备整流后，就会产生高次谐波，增加谐波损耗，降低功率因数。对电力网有很大的危害，它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电度表及其它微机装置。在一个用户变电站安装并联电容器来提高功率因数，同时安装交流滤波装置可以消除高次谐波。本文主要就消除高次谐波，合理的选择交流滤波器进行理论计算和讨论。2高次谐波的产生可控硅整流设备、整流装置及电弧炉是产生高次谐波电流的主要来源。下面是一个变电站没有安装交流滤波装置前实测的高次谐波电流值：I5＝54A3单调谐滤波器运行动态分析不考虑电力系统电阻分量的滤波器典型电路图分析：In：用电设备产生的n次谐波电流（电流源）（A）；Inx：流入电力系统的n次谐波电流（A）；InL：流入滤波器的n次谐波电流（A）；jωL：电力系统谐波电抗，其值决定于该点三相短路容量，并正比于谐波次数（Ω）；jωL1：滤波器回路中电抗器的谐波电抗（Ω）；1／jωC：滤波器回路中电容器的谐波电抗（Ω）；R：滤波器回路之电阻，其值大小影响滤波器的品质因数q＝ωL1／R，它是滤波回路连线电阻及人为串入的电阻之和。R值增大，品质因数q降低，回路有功损耗变大，但有利于滤波器的安全运行。工程设计中应该设法不串入电阻，利用滤波器本身电阻的大小来改变品质因数的好坏，这样可以使滤波器的接线简单并有较好的滤波效果。3．1电压谐振如图1回路阻抗为：式中：ω—谐振角频率；n—谐波次数当Zn的虚部为零时，产生串联谐振。此时，滤波器工作在理想状态，设计滤波器以此为基础，考虑安全运行加以调整滤波器参数。3．2电流谐振如图2，回路阻抗为：当Zn的虚部为零时，产生并联谐振，此时Zn为纯电阻性，而且其值为最大，作为工程计算可以按Zn最大时产生电流谐振计算谐振频率。由上述计算得出并联谐振角频率和回路参数的关系式，当R＝0时，ω＝1/最大，谐振电压最大，则谐波电流被放大，滤波器失调；当R变大时。W变小，损耗也随之变大，滤波效果不好；当R为无穷大时，相当未投入滤波器，谐波电流全部流入系统。因此，靠改变R值的大小设计的滤波器不是理想的滤波器。下面一组曲线可以说明，见图3。由于电力系统频率的变化、环境温度的变化等因数，滤波器的谐振频率也随之变化。当选择的品质因数较大时，就很容易发生并联谐振。为了提高滤波效果，避免发生并联谐振，减少基波和谐波损耗，我们设计为全偏移谐振滤波器，如图4，就是人为的把电压谐振点选择在－δM处。4全偏移滤波器的设计4．1等值频率偏移其中：电网频率变化产生的偏移：δf＝Δf／f，Δf－电网频率偏移，f＝50Hz环境温度变化引起电容器电容量变化产生的偏移：δc=aΔt/2a—为电容器温度系数；的电抗量标么值；.测量误差δm＝±0．002～±0．0054．2计算C、L及RLnRCn值·计算品质因数：，其中ø为电力系统谐波阻抗角，一般φ＝85°。·电容器承受的基波电压：XC—电容器的基波容抗；UCN—电容器的额定电压；λ—峰值谐波过电压系数；In—n次谐波电流；Kfn—n次谐波放大系数；n—谐波次数。·电抗器的电抗为：L＝XL／2πf（6）4．3滤波电容器的校验Kfn—谐波放大系数，按极限值考虑Kfn＝15设计实例唐山地区一座110KV用户变电站，是使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后，主要是5次谐波。其参数如下：5次谐波电流为I5=54A，10KV母线路容量为按电网低频减载保护动作值为49．5Hz计算。按式（1）求出UC＝6315V按式（2）求出XC＝110．08Ω选择7．2kV，100kvar的单台电容器，X′C＝7．22／0．1＝518．4Ω。电容器并联的台数，p＝518．4／110．08＝4．71台，取p＝5台。则XC＝7．22／5×0．1＝103．68Ω，5次谐波阻抗为：X5＝103．68／5＝20．74Ω。按式(6)求出:电抗器的谐波电阻为：取qLn＝60，RLn＝X5／qLn＝20．74／60＝0．346Ω。电容器的谐波电阻为：Rcn＝X5tanθ＝20．74×0．0008＝0．017Ω，Rfn＝0．346＋0．017＝0．3626Ω，实际的品质因数为：q＝20．74／0．3626＝57．2，接近要求值。6现场实测用仪器对该变电站进行实测的结果：接入滤波器前的波型如图5，接入滤波器后的波型如图6所示。而且，该站110kV进线的功率因数由原来的0．4左右提高到0．95以上。7结论对于使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后产生的高次谐波，其主要为5次谐波。按上述设计的滤波器装置可以很好的滤掉高次谐波。提高功率因数，降低无功损耗。而设计滤波器的关键是选择合理的RLn值。参考文献［1］陈延镖．钢铁企业电力设计手册［J］．冶金工业出版社，1996．［2］卓乐友．电力工程电气设计手册［J］．中国电力出版社，1996．［3］吴竟昌．供电系统谐波［J］．1998．