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电力系统谐波治理的基本方法详细分析


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  随着科学技术的发展,随着工业生产水平和人民生活水平的提高,非线性用电设备在电网中大量投运,造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗,而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行,造成了这些装置的误动与拒动,直接威胁电网的安全运行。举个常见的例子来说,电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行,的确比常用的白炽灯好,不仅亮度高又省电,而且使用寿命也长。但是相反,在大量投运节能灯后,就会发现节能灯的损坏率大大提高。这是由于节能灯是非线性负荷,它产生较大的谐波污染了这一片电网,造成三相负荷基本平衡情况下,中心线电流居高不下,线电压与相电压之比比:1要小得多,造成了该片电网供电质量下降,用电设备发热增加,电网线损增加,使得该区的配变发热严重,严重影响其使用寿命。因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理,使谐波分量不超过国家标准。

一、电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波,因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类:隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机,凸极机多用于水轮发电机。

  对于谐波分量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技进步,可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入,使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时,由于电机的磁饱和,会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时,也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下,所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小,比国家的考核标准低的多,因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。

  为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备,也就是说非线性用电设备是主要的谐波源,非线性用电设备主要有以下四大类:

  • 电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。  
  • 交流整流的直流用电设备:如电力机车、电解、电镀等。  
  • 交流整流再逆变用电设备:如变频调速、变频空调等。  
  • 开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

  这些用电设备都是非线性用电设备,但它们产生的谐波各不相同,具体举例分析如下:

  电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。

  此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波,造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少,电焊机应用的同时率就更小了,对整个电网的影响比较小,但在当时已发现在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很大,有较大的谐波影响。

  交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零(如图图所示)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较低。

  交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。

  虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是目前推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。

  开关电源设备目前应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。此外,开关电源的频率比较高一般在40kHz左右,不仅在整流时产生谐波,而且在开关管开闭时,反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大,但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会通过配变污染到 10kV电网。

 二、谐波治理的基本方法

目前谐波治理的基本方法有以下三种,在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用

电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则,应该在非线性用电设备处分散治理。但对于电脑,彩电,节能灯等民用设备,则只能进行集中治理。


  1、减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统阻抗,换句话说就是提高供电电压等级。例如,在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果,该钢厂原是用35kV供电,由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电,而它的主要用电设备是电弧炉,虽然进行了五次、七次谐波治理,但在110kV的 35kV母线上测得谐波分量仍接近或稍超国家标准。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右,用5回35kV专线供电,使 35kV母线的谐波分量控制在国家标准以内,此外该厂还使用了较大容量的同步发电机,使这些非线性负荷的电气距离大大下降,使该厂生产的谐波对电网的危害性下降,这种方法投资是最大的,往往需要和电网发展规划相协调。

  2、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波,它不仅直接影响到本级电网,而且经过变压器后,还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网,这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采用,发电机发出的电能经过Y/△、Y0/△、Y0/Y等接线组别的变压器,把发电机产生的三次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来,因此在 110kV以上高压电网上,三、九次谐波分量很小,几乎是零。而10kV由于大多数配变为Y/Y0接线,35kV也有少量Y/Y0接线的直配变,因此在 10kV和35kV系统中三、九次谐波分量会比高压电网大。为了减少低压对10kV电网的影响,我局现在10kV配电系统中推广使用了D,yn11接线组别的配电变压器,有效的减少了三、九次谐波的影响。

  3、安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法,多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。

  有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较,差额部分由有源滤波器进行补偿,这是谐波治理的发展方向。目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高,而且成本很高,因此在现阶段不可能大量推广应用。随着科学技术的发展,功率电子元件的成本下降,这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。

  无源滤波器是通过L、C串联或并联,使其在某次谐波产生谐振,当发生串联谐振时,使滤波器两端该次谐波的电压很小,几乎接近零,这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处,从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小,达到对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于对五、七、十一次谐波治理中,而且往往同时采用两组以上滤波器,谐振在五、七次,同时起补偿电容器组的作用。目前,在电力行业中,它多用于35kV和110kV变电所的10kV母线上,两组滤波器中的电容器容量大于变电所无功补偿容量,串联电感后,谐振在五、七次谐波频率中,使无源滤波器一物二用,具体计算公式如下:

  当无源滤波器中,L、C串联谐振在n次谐波频率时, 。

  电容器和电感在工频时的参数:

  Xc=n2XL得,当n=5时,Xc=52XL=25XL  
  Uc=1.04U,Qc=1.04QLC  
  当n=7时,Xc=72XL=49XL,Uc=1.02U,Qc=1.02QLC

  一般在电容器无串联电感时,电网额定电压为10kV,变压所母线电压在10.5kV以上,电容器额定电压多选用11kV/ 。因此,用整治五次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11.5kV/ 或12kV/ ,用来整治七次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11kV/ 。

  但是由于计算精度和电容器、电感器的制造精度等原因,若按计算结果数据来配备,在标准化审查时就通不过,为了保证串联滤波器能在五、七次谐波频率时谐振,我们要求电感有一定的调节范围,从而确保滤波器能正常工作。具体调试方法如下图,调节电感,在谐波分析仪中该次谐波值最小时,则认为滤波器已调试成功。

[$page]  三、谐波治理方法的总结和发展

在电力系统中,供电电压波型是中心对称的,因此基本上不含有偶次谐波,主要存在在奇次谐波,而三、九次谐波可以通过Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比较高,而且输电线路有一定电感量,对地又有一定电容量,相间及线间也有一定电容量。因此,高次谐波在线路传输过程中衰减比较快,同时高次谐波在电网中所占的比重也不大,故在电力行业中不作为主要整治对象。

  在10kV配电系统中,配变多采用Y/Y0接线,Y0(400V)侧由于有非线性用电设备,会产生三、五、七……次谐波,五、七次谐波可以用串联LC滤波器进行治理,而对三次谐波往往采用并联谐振使三次谐波在主变一次侧和二次侧之间进线隔离,其原理如下:

  当L、C并联谐振在三次谐波频率时,三次谐波电流流不过主变二次侧线圈,从而使主变一次侧感应不出三次谐波的电压分量,同时使中性线三次谐波电流大大下降。

  a、综上所述,对于电力行业的谐波治理方法有以下四种基本方法:

  1、采用Y0/Δ、Y0/Y、Y/Δ接线组别的变压器,隔离三、九次谐波。  
  2、采用L、C串联无源滤波器,对五、七次谐波进行治理。

  例如,丽水局的110kV景宁变电所由于10kV负荷中,中频炉占有较大比重,从实测数据看,主导谐波为5、7,11,13,19,32,33,34, 36,38次。补偿电容器的投入后,对低次谐波有放大作用,10kV母线电压畸变率由6%上升为8.5%,对高次谐波有一定滤波作用,而且电容投入运行后,会使电容器端电压升高,导致电容器损坏。目前,在一、二段母线上各加一组五次和七次滤波器(容量为200kVAR×18只五次;200kVAR×12只 七次)后,不但使五、七次谐波有明显压制,而且提高了功率因素,使供电量增加、线损下降。具体测试数据如下:

  总谐波 3次谐波 5次谐波 7次谐波 11次谐波  
  治理前 6.05 0.7 3.75 2.36 1.52  
  电容器投入 8.02 0.95 5.86 4.78 1.63  
  治理后 3.78 0.7 1.2 0.4 1.5

  3、采用L、C并联无源滤波器,对三次谐波电流进行阻塞。

  例如,本市中心医院的外科大楼及门诊楼引入新的进口设备,由于低压系统有三次谐波分量,造成新引入的医疗诊断设备不能正常运作,医院采用了L、C并联无源滤波器,串接在变压器中性点上,从而使三次谐波得到压制,使医疗诊断设备能够正常工作。

  4、加强电网建设,扩大电网容量,增加旋转备用容量。

  b、对于非线性用电设备的谐波治理方法有以下五种方法:

  1、对电弧加热用电设备,采用多相(六相、十二相等)电弧炉变压器,从而使低次谐波分量下降,高次谐波分量上升。目前最常用的是Y/Y0、Δ/Y0两变压器分别接两台相同容量的电弧炉,并使两炉同步作业,通过LC串联无源滤波装置进行局部治理,达到用电设备产生的谐波不超标。

  2、对于交流整流直流用电设备采用多相整流。多相整流产生的谐波多为整流相数±1次,对12相整流设备,谐波分量最大是11次和13次,而对24相整流设备,则是23次和25次。谐波频率越高,L、C串联滤波器的投资越小,谐波在输电线路中传输衰减越快。

  3、开关电源设备谐波治理。工业用的典型设备是中频炉,目前广泛采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器初级并联,带两台相同容量中频炉同步运行,以提高整流时产生谐波的次数,在中频变换中进行L、C串联吸收,以减少中频谐波反射到电源侧,其接线如下图所示,

  例如,浙江省青田县特种钢厂,引进了美国生产的中频炉,采用Y/Y0、Δ/Y0两台变压器分别接中频炉,使其产生的谐波对电网的影响明显降低。

  4、变频器的谐波治理。在发达国家中是变频器和变频器谐波治理设备是配套供应的,由于变频器的设备价格和配套的变频器谐波治理设备的价格相差不多,我国的好多用户,往往只安装变频器,不安装配套的谐波治理设备。随着变频技术的推广,会使电网中的谐波影响加剧,因此希望用电管理部门做好用户工作,做到变频器与配套的谐波装置二者同时设计,一起投运。

  5、用户侧多投一些同步电动机,它一方面可以进行无功补偿,减少电压波动及电压闪变,另一方面它又能吸收一部分谐波电流,对谐波治理也有很大好处。例如,遂昌钢厂,在同步电动机全开时,110kV古市变和金溪变35kV母线的电压,谐波分量基本能在允许范围内,如果同步机停运,则这两点的电压谐波分量会超标,因此用户投入同步机对电网是有利的。

  单相电焊机它是一个谐波源,在五十年代出现过电动机带动直流发电机。直流发电机提供电焊机电源,这也是一种谐波治理方法。在三十年代,上海的电车、电镀都是用交流电动机带动直流发电机来供电车和电镀电源。但是在整流技术发展的今天,我们当然不会使用这一落后的技术手段来治理谐波,而是采用价格低廉的无源滤波器。

  在供电系统中进行谐波治理有不少困难,非线性负荷不是24小时平稳运行的,如电弧炉、中频炉在出炉时会停运,在熔化和冶炼过程中,出力又有变化,因此谐波是在变化的。所以

采用一个或几个固定的无源滤波器的投切,不可能和非线性负荷变动进行同步,而目前有源滤波器又不可能大力推广。从技术上说,目前对谐波治理有一定难度,而且虽然串联L、C无源滤波器对五、七次谐波起了治理作用,但是对某次谐波在某个条件下会起放大作用,从这一点来看,希望加强用电设备的治理工作。


  在变电所补偿设备中串入一定电感,可以使之成为五、七次谐波治理设备,同时还可以起到补偿作用,以达到一物二用。但在设计方面则要请有丰富经验的设计单位设计,在浙江省可以请浙江省电力试验研究所,他们在五、七次谐波治理中已取得了很好的成果,在他们的指导下,各供电企业可以自己动手,从小到大做一些谐波治理工作,解决一些谐波污染问题,这对各供电企业的自身提高是有帮助的。




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