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谐波的危害

gecimao 发表于 2019-07-12 21:14 | 查看: | 回复:

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  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,也对周围的其他设备产生干扰。

  在电力电子设备广泛应用以前,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发展使得公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。

  谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面:

  由于谐波不经治理是无法自然消除的,因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热,从而加大了电力运行成本,增加了电费的支出。

  谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖,不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加,而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加,所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热,噪声增大,从而加速绝缘老化,大大缩短了变压器、电动机的使用寿命,降低供电可靠性,极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

  电网中含有大量的谐波源(变频或整流设备)以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷,这些电气设备处于经常的变动之中,极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时,在一定的频率下,形成谐波振荡,产生过电压或过电流,危及电力系统的安全运行,如不加以治理极易引发输配电事故的发生。

  对旋转的发电机、电动机,由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗,从而降低发输电及用电设备的效率,更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩,可能引起机械共振,造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环,导致设备无法正常工作。

  继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是,由于谐波的大量存在,易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动,特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出,引起区域(厂内)电网瓦解,造成大面积停电等恶性事故。

  电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差,达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时,断路器的遮断能力将大大降低,造成电弧重燃,发生短路,甚至断路器爆炸。

  由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动, 使生产误差加大,降低产品的加工精度,降低产品质量。

  当输电线路与通讯线路平行或相距较近时,由于两者之间存在静电感应和电磁感应,形成电场耦合和磁场耦合,谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰,从而降低信号的传输质量,破坏信号的正常传输,不仅影响通话的清晰度,严重时将威胁通讯设备及人身安全。

  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。

  当配电系统非线性用电负荷比重较大,并联电容器组投入时,一方面由于电容器组的谐波阻抗小,注入电容器组的谐波电流大,使电容器过负荷而严重影响其使用寿命,另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时,引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此,电压谐波和电流谐波超标,都会使电容器的工作电流增大和出现异常,例如,对于常用自愈式并联电容器,其允许过电流倍数是1.3 倍额定电流,当电容器的电流超过这一限制时,将会造成电容器的损坏增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低,甚至造成损坏事故。同时,谐波使工频正弦波形发生畸变,产生锯齿状尖顶波,易在绝缘介质中引发局部放电,长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降,而容易导致电容器损坏。

  1.谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热,振动,噪声增大,绕组附加发热等。

  2.谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。

  3.变压器励磁电流中含谐波电流,引起合闸涌流中谐波电流过大,这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。

  变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长,能够延续数秒或更长的时间,有时还会引起谐振过电压,并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。

  (四)对输电线.谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响,将产生附加损耗,使得输电线路损耗增加。特别是在电力系统三相不对称运行时,对中性点直接接地的供电系统线.谐波污染增大了中性线电流,引起中性点漂移。在低压配电网络中,零序电流和零序性的谐波电流(3次,6次、9次……)不仅会引起中性线电流大大增加,造成过负荷发热,使损耗增加,而且产生压降,引起零电位漂移,降低了供电的电能质量。

  谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引发单相接地故障的可能性增加。

  由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高,谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大,更容易发生故障。

  (1)在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。

  (2)频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。

  利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。

  (1)晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少,因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。

  (2)利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护,都会受到谐波的影响和干扰。

  继电保护正常运行中,当电源谐波分量较高时,可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。当三相严重不对称时,在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下,可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰,而引起误动。如某地电气化铁路通车后,曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流,引起供电系统电能质量指标严重恶化,多次造成发电机的负序电流保护误动,主变压器的过电流保护装置误动,线路的距离保护振荡闭锁装置误动,高频保护收发讯机误动,母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。

  微机保护装置的大规模使用,使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差,又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰,从而引起保护装置的误动或拒动。如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响,造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰,使差动保护动作跳闸的事故。

  1.对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发电机,将产生附加损耗,引起发电机局部发热,降低绝缘强度。同时,由于输出的电压波形中产生附加谐波分量,使负载的同步发电机转子发生扭振,降低其工作寿命。

  2.对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作,断路器的遮断能力降低,不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流,对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象,导致断路器触头烧损。

  3.对消弧线圈的影响。当电网谐波成分较大时,发生单相接地故障,消弧线圈对谐波电流将可能不起作用,在接地点得不到的补偿,从而引发系统的故障扩大。

  4.对载波通信的影响。高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声,数据传输失真,降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性,造成集中抄表系统中数据出错等故障。

  用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。使用电能质量污染的电源,用电设备又可能成为新的污染源,而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括:对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。另外,还包括对电信通信造成影响,对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响,这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰,差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰,共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰,是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。

  谐波电流通过交流电动机,使谐波附加损耗明显增加,引起电动机过热,机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时,定子绕组上产生负序电流,并励磁产生负序旋转磁场,该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力,增加铜损,并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。负序性的谐波分量(5次、11次等)对电机的影响与负序电压的效果一样。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时,诱发谐振,会使电动机造成损坏。

  电网无功配置容量中电容器所占比例最大,其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量,不考虑装设点电能质量的实际污染情况,因此,运行点电能质量指标低时,常造成一些事故,如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断,甚至发生串并联谐振,引发电容器的谐波过电压与过电流,导致电容器爆炸等。另外,由于用户电容器的管理按平均功率因数进行考核,电容器很少按电网实际运行情况投切,甚至只投不切,无形中使电网电压失去了应有的调节裕度,使电压偏差等电能质量指标难以控制。

  随着数字控制技术的大规模使用,很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面,即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件,如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路,造成误动作等。

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