谐波产生的危害和治理

谐波产生的危害和治理从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。1．无功功率的影响和谐波的危害1.1无功功率的影响（1）无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。1.2谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及应用，使用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。由于电力电子器件的非线性和波形非正弦的特点，由电力电子器件组成的电气传动自动化装置的电源侧（网侧）的电流不仅含有基波，还包含丰富的谐波，电控系统在整个运行期间功率因数偏低（一般在0.2—0.8之间），同时起动无功冲击大，引起电网电压发生波动，这些都会给电网的运行和效率带来不良的影响，同时也会对接在该公用电网中的其他用电设备带来一些不良的影响甚至危害。随着由电力电子器件组成的电气传动自动化装置的广泛应用和容量的不断增加，上述给公用电网和其他用电设备带来的不良影响（有人称之为电网污染或公害）日益显著。电控系统对电网的不利影响主要表现在：1、起动无功冲击大，2、平均功率因数低。2．谐波电流的产生1.无功冲击将产生如下的不良影响1）使供电母线的电压产生波动，降低了机电设备的运行效率。2）大量无功使系统功率因数较低，浪费大量能源。变流设备的自然功率因数较低，一般只有0.7左右，造成供配电系统的电能损耗增加，发配电设备的利用率下降，企业的电费支出增加，降低了企业的经济效益。2.谐波电流对电气设备的危害1）谐波对供电变压器的影响谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗，温升增加，出力下降，影响绝缘寿命。2）谐波对旋转电机的影响谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗，其次产生机械振动，噪声和谐波过电压。3）谐波对电缆及并联电容器的影响，当产生谐波放大时，并联电容器，将因过电流及过电压而损坏，严重时将危及整个供电系统的安全运行。4）谐波对变流装置的影响交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。5）谐波对通信产生干扰，使电度计量产生误差。6）谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。由以上分析可以看出，电气传动自动化装置产生的大量谐波电流和无功冲击会对用户本身及电网用电设备造成较严重的电压波动和谐波污染。这不仅带来运行隐患，威胁电网的安全稳定运行，还会给其他电气设备的运行带来不利影响。电力谐波治理要本着限制谐波源向公用电网注入谐波电流，将谐波电压限制在允许范围内的原则，首先要掌握系统中的谐波源及其分布，限制其谐波在允许范围内方可入网，未达标的必须采取治理措施，以防谐波扩散。为此国际电工委员会（IEC）和美国IEEE都有推荐标准，我国结合电网实际水平并借鉴其他国家标准制定的电压正弦波形畸变率规定。供电部门应该严格按照各类电力设备、电力电子设备的技术规范中规定的谐波含量指标，对其进行评定。如果超过国家规定的指标，不得出厂和投入电力系统使用，并从全局出发，全面规划，采取有力措施加强技术监督与管理，一方面审核尚待投入负荷的谐波水平，另一方面对已投运的谐波源负载，要求用户加装滤波装置。认真贯彻执行有关国家标准关于限制谐波的规定，就能从总体上控制供电系统中的谐波水平，保证供电系统供给优质的电能。增加换流装置的相数，换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项（其特征谐波次数分别为12k±1和12k），从而大大地降低谐波电流的有效值。加装滤波装置，包括无源滤波和有源滤波装置。为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防让谐波电流的产生，从而降低谐波电压。改变谐波源的配置或工作方式，例如具有谐波互补性的装置应集中，非互补性的应分散或分时交替使用等。开关电源干扰的抑制，一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。采用电源滤波器。减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。抑制单相电容器组开断瞬态过电压，如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。抑制电压互感器铁磁谐振，抑制电压互感器铁磁谐振的方法是要使其脱离谐振区。采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。抑止整流和逆变产生谐波，1.在变频器前加装电源滤波器；2.变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。抑止电弧炉运行时的干扰，1.在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；2.可以重新安排供电系统。