電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)論文
電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)
摘要：電網(wǎng)中諧波問題日益嚴(yán)重，文章對(duì)此綜述了諧波危害及抑制諧波的方法。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)諧波危害抑制技術(shù)
隨著電網(wǎng)容量迅速增長(zhǎng)，電網(wǎng)運(yùn)行電壓也不斷提高，國(guó)外輸電設(shè)備電壓已達(dá)１０００ｋＶ我國(guó)從２０世紀(jì)８０年代開始進(jìn)入大電網(wǎng)時(shí)期，輸變?cè)O(shè)備電壓已達(dá)５００ｋＶ。最近開始西北地區(qū)黃河上游水電深度開發(fā)，國(guó)家電力公司已批準(zhǔn)建設(shè)第一條７５０ｋＶ輸電線路。
隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍增長(zhǎng)，對(duì)供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越多，電力質(zhì)量（ＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙ）受到人們的日益重視。例如，工業(yè)生產(chǎn)中的大型生產(chǎn)線、飛機(jī)場(chǎng)、大型金融商廈、大型醫(yī)院等重要場(chǎng)合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一旦失電，或因受電力網(wǎng)上瞬態(tài)電磁干擾影響，致使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，將會(huì)帶來巨大的
經(jīng)濟(jì)損失。電梯、空調(diào)等變頻設(shè)備、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子式鎮(zhèn)流器熒光燈等已成為人民日常生活的一部分，如果這些裝置不能正常運(yùn)行，必定擾亂人們的正常生活。但是，電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、電弧爐等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)載，都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網(wǎng)，必然污染公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)電源的波形畸變，增加諧波成份。
近幾年，傳感技術(shù)、光纖、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信息技術(shù)日臻成熟。集成度愈來愈高的微電子技術(shù)使計(jì)算器的功能更加完美，體積愈來愈小，從而促使各種電器設(shè)備的控制向智能型控制器方向發(fā)展。隨著微電子技術(shù)集成度的提高，微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對(duì)更低，更易受外界電磁場(chǎng)干擾而導(dǎo)致控制單元損壞或失靈。例如，２０世紀(jì)７０年代計(jì)算機(jī)迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計(jì)算機(jī)常出現(xiàn)誤動(dòng)作，而無法找出原因。１９６６年日本三基電子工業(yè)公司率先開發(fā)了“模擬脈沖的高頻噪音模擬器”，將它產(chǎn)生的脈沖注入被試計(jì)算機(jī)的電源部分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在注入１００～２００Ｖ脈沖時(shí)就誤動(dòng)作，難怪計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)無法正常工作，其原因之一是計(jì)算機(jī)的電源受到了污染。因此，受諧波電流污染的公用電源，輕者干擾設(shè)備正常運(yùn)行，影響人們的正常生活，重者致使工業(yè)上的大型生產(chǎn)線、系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓，會(huì)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。
國(guó)際電工委員會(huì)（ＩＥＣ）已于１９８８年開始對(duì)諧波限定提出了明確的要求。美國(guó)“ＩＥＥＥ電子電氣工程師協(xié)會(huì)”于１９９２年制定了諧波限定標(biāo)準(zhǔn)ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了計(jì)算機(jī)或類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù)（ＴＨＤ）應(yīng)在５％以下，而對(duì)于醫(yī)院、飛機(jī)場(chǎng)等關(guān)鍵場(chǎng)所則要求ＴＨＤ應(yīng)低于３％。
１電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生
１．１電源本身諧波
由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。
１．２由非線性負(fù)載所致
1.2.1非線性負(fù)載
諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。
1.2.2主要非線性負(fù)載裝置
（１）開關(guān)電源的高次諧波，它由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個(gè)部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣；
①一次整流回路噪聲：這是電容輸入型線路，整流脈動(dòng)電壓要超過Ｃ１上的充電電壓，電流才從電源輸入，電流波形呈脈沖形，對(duì)這種脈沖狀電流波進(jìn)行“傅立葉展開”后，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，還有１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次諧波，這些高次諧波電流全部返回到公用電網(wǎng)中，造成公用電網(wǎng)的波形偏離５０Ｈｚ；
②開關(guān)振蕩回路：開關(guān)三極管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ以上頻率頻繁通斷，使電路產(chǎn)生高次諧波。其次Ｌ１、Ｌ２線圈間有漏感，在Ｔ１工作時(shí)也會(huì)形成噪聲；
③二次整流回路噪聲：首先，高次諧波流過Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２產(chǎn)生噪聲。電流突變過程中在Ｌ２、Ｌ４上的反電動(dòng)勢(shì)也會(huì)形成噪聲；
④控制回路噪聲：在完成控制過程也會(huì)產(chǎn)生噪聲。
這幾種干擾可以通過電源線等產(chǎn)生輻射干擾，也可以通過電源產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾。
（２）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波
變壓器空載合閘時(shí)，可以列出下列方程：
ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝Ｕ１ｓｉｎ（ωｔ＋α）
求解后得到：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα（１）
Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）——磁通的穩(wěn)態(tài)分量；
Φｍｃｏｓα——磁通的暫態(tài)分量。
如果合閘時(shí)，α＝０（既在μ１＝０的瞬間合閘）得到：
Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ（２）
在合閘后半周期（ｔ＝）時(shí)，磁通達(dá)到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ。
鐵心中磁通波形對(duì)時(shí)間軸不對(duì)稱，考慮剩磁Φ０，則磁通波形再向上移Φ０，從而使對(duì)應(yīng)磁化曲線工作點(diǎn)移向飽和區(qū)，因此在磁通變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生８～１５倍額定電流的涌流，由于線圈電阻Ｒ１的存在，變壓器空載合閘涌流一般經(jīng)過幾個(gè)周波即可達(dá)到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流所含的諧波成份以３次諧波為主。
（３）單相電容器組開斷時(shí)的瞬態(tài)過電壓干擾：如果ｔ＝０時(shí)，ＣＢ觸頭剛分開，弧電壓很低略去，因此電源電壓ｕ與電容電壓相等，即ｕ＝ｕｃ。
ｔ＝ｔ１時(shí)，電流為零，電弧熄滅，而電源電壓仍然按正弦變化，經(jīng)過半周到達(dá)正向最大。但是，電容電壓ｕｃ＝－Ｕｍ不再變化。斷路器ＣＢ觸頭間電壓Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。
當(dāng)ｔ＝ｔ２時(shí)，如果此時(shí)弧隙介質(zhì)擊穿，這一過程可以看為Ｕｍ直流電源經(jīng)電感Ｌ突然加到電壓為－Ｕｍ的電容上，因分布參數(shù)產(chǎn)生高頻振蕩，形成高頻電流：
ｉｃ＝２Ｕｍω０Ｃｃｏｓω０ｔ，（ω０＝）
電容器上電壓為：
μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ（３）
因此，高頻電流ｉｃ經(jīng)時(shí)間第一次過零時(shí)，高頻電流被切斷，電容器上電壓Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，如果此時(shí)電弧被熄滅，則Ｕｃ將保持３Ｕｍ不變。
ｔ＝ｔ３時(shí)，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此時(shí)弧隙又出現(xiàn)擊穿，則電容器電壓可達(dá)到５Ｕｍ值。
實(shí)際上，由于觸頭間距在開斷過程中不斷增加，因此介質(zhì)強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓增加速度，重?fù)舸┈F(xiàn)象中止，完成開斷，所以電容上過電壓倍數(shù)不會(huì)達(dá)到３倍（上面的討論是假設(shè)弧隙重?fù)舸┌l(fā)生在電流過零后１０ｍｓ，因此恢復(fù)電壓達(dá)到最大值）。
用普通斷路器投切電容器ｃ１時(shí)（ｃ１處于２０ｋＶ線路），產(chǎn)生１．８（ｐ．ｕ）過電壓，導(dǎo)致諧振，諧振卻又在ｃ２處（ｃ２處于６ｋＶ線路）產(chǎn)生高于４（ｐ．ｕ）的過電壓。
電力電子調(diào)速系統(tǒng)普遍應(yīng)用于工業(yè)中改進(jìn)電機(jī)效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對(duì)過電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會(huì)造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護(hù)誤跳閘。由于與中壓母線相連的電容器要經(jīng)常操作，這意味著調(diào)速系統(tǒng)誤跳閘事故會(huì)經(jīng)常發(fā)生；
（４）電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國(guó)１０ｋＶ、３５ｋＶ等級(jí)的中性點(diǎn)不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對(duì)地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對(duì)地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會(huì)導(dǎo)致三相對(duì)地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感Ｌ和系統(tǒng)對(duì)地電容Ｃ在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。我們先看一下，它是典型的Ｌ、Ｃ并聯(lián)電路。ｘｃ＝，ｘＬ＝ωＬ，ｘｃ是線性參數(shù)，但是ｘＬ是非線性參數(shù)，其大小與鐵芯飽和程度有關(guān)，如發(fā)生并聯(lián)諧振，則產(chǎn)生較高的諧振過電壓；
（５）整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流：整流器的作用將交流電轉(zhuǎn)成直流電，而逆變器是將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。大功率整流器廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，大功率整流器——逆變器廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速及交－直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速等領(lǐng)域。
其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（５０Ｈｚ基波）外，還疊加了一系列高次波形——諧波。應(yīng)該說電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速外，也可以節(jié)省大量電能（近３０％），但如前面分析，變頻調(diào)速過程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作，還要干擾二次儀表——壓力、流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。
這些高次諧波是通過三個(gè)途徑竄入產(chǎn)生干擾的。其一是通過電容耦合；其二是通過高次諧波電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)；其三是直接由接地回路或電源線竄入的。
（６）電弧爐運(yùn)行引起電壓波動(dòng)：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬?gòu)碾姌O上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說冶煉過程是頻繁的短路－開路－短路的過程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)及白熾燈閃爍，一般電壓波動(dòng)頻率是０．１Ｈｚ～幾十Ｈｚ，這種諧波是以３次諧波為主。
２諧波的危害
２．１污染公用電網(wǎng)
如果公用電網(wǎng)的諧波特別嚴(yán)重，則不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備（電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等）無法正常工作，甚至?xí)斐晒收希疫�會(huì)造成向公用電網(wǎng)的中性線注入更多電流，造成超載、發(fā)熱，影響電力正常輸送。
２．２影響變壓器工作
諧波電流，特別是３次（及其倍數(shù)）諧波侵入三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組發(fā)熱。對(duì)Ｙ形連接中性線接地系統(tǒng)中，侵入變壓器的中性線的３次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱。
２．３影響繼電保護(hù)的可靠性
如果繼電保護(hù)裝置是按基波負(fù)序量整定其整定值大小，此時(shí)，若諧波干擾疊加到極低的整定值上，則可能會(huì)引起負(fù)序保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響電力系統(tǒng)安全。
２．４加速金屬化膜電容器老化
在電網(wǎng)中金屬化膜電容器被大量用于無功補(bǔ)償或?yàn)V波器，而在諧波的長(zhǎng)期作用下，金屬化膜電容器會(huì)加速老化。
２．５增加輸電線路功耗
如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。
如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對(duì)地電容要大１０～２０倍，而感抗僅為其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。
２．６增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗
國(guó)際上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過額定電壓的２％，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。
２．７影響或干擾測(cè)量控制儀器、通訊系統(tǒng)工作
例如，直流輸電中，直流換流站換相時(shí)會(huì)產(chǎn)生３～１０ｋＨｚ高頻噪聲，會(huì)干擾電力載波通信的正常工作。
３諧波抑制技術(shù)
３．１整機(jī)電源需留有較大貯備量
為了使測(cè)量、控制裝置能滿足負(fù)載較大變化范圍，因此在設(shè)計(jì)整機(jī)電源時(shí)，可給予較大貯備量，一般選取０．５～１倍余量；
３．２對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電
因?yàn)闇y(cè)量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路時(shí)，對(duì)干擾大的設(shè)備與測(cè)控裝置采用不同相線供電。
３．３將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開
將測(cè)量、控制裝置的供電與動(dòng)力裝置的供電分開。因?yàn)閯?dòng)力裝置的`負(fù)荷變動(dòng)大，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的負(fù)荷小，動(dòng)力裝置產(chǎn)生的干擾大，供電電源分開后，測(cè)量、控制、微機(jī)及電視機(jī)的電源與動(dòng)力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。
３．４其余抑制高次諧波的技術(shù)
3.4.1開關(guān)電源干擾的抑制技術(shù)
一般采用的辦法是：電源濾波、屏蔽及減少開關(guān)電源本身干擾能量。
采用電源濾波器。其中Ｃ１、Ｃ２具有抑制串模干擾，Ｌ１、Ｌ２可以抑制共模干擾，而Ｃ４、Ｃ３可以抑制串共模干擾。電源濾波器可以阻止電網(wǎng)中的干擾進(jìn)入開關(guān)電源，也可以阻止開關(guān)電源的干擾進(jìn)入電網(wǎng)。
屏蔽技術(shù)可以有效地防止向外輻射干擾。
減少開關(guān)電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈，利用流過反向電流時(shí)，因磁芯不飽和而產(chǎn)生的較大電勢(shì)阻止反向電流上升。
3.4.2變壓器空載合閘涌流抑止方法
根據(jù)方程（１），如果合閘時(shí)，α＝（即Ｕ１＝Ｕ１ｍ便合閘），則：
Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋）＝Φｍｓｉｎωｔ（４）
沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。
3.4.3抑制單相電容器組開斷瞬態(tài)過電壓方法
如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓，從而使接在母線上的電力電子調(diào)速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作，接在母線上的其余設(shè)備也可不受過電壓干擾的影響。
3.4.4抑制電壓互感器鐵磁諧振方法
其方法是要使它脫離諧振區(qū)。電壓互感器的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ），系統(tǒng)對(duì)地電容的伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＣ）和合成伏安特性Ｕ＝ｆ（ＩＬ－ＩＣ），在ｏａ區(qū)間，合成電流呈容性，合成電流隨電壓上升而增加，在ａｂ區(qū)間鐵芯飽和導(dǎo)致ＸＬ電抗減少（電感電流非線性急劇增長(zhǎng)），最后使合成電流仍為容性，合成電流隨電壓上升而減少，所以ａｂ區(qū)間是不穩(wěn)定區(qū)間，在ｂ點(diǎn)合成電流為零，這時(shí)ＸＬ＝ＸＣ（ＩＣ＝ＩＬ），發(fā)生并聯(lián)諧振。采用中性點(diǎn)不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。
3.4.5抑止整流和逆變產(chǎn)生的諧波
（１）在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側(cè)加裝三只６８０μｆ２５０ＶＡＣ的電容，（分別接在Ｌ－Ｎ，Ｌ－ｇｒｏｎｄ，Ｎ－ｇｒｏｎｄ上）這種方法可使電磁干擾電流降至原來的１／１０，效果較明顯；
（２）變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應(yīng)在接變頻器處和電機(jī)處兩端都接地。
3.4.6抑止電弧爐運(yùn)行時(shí)的干擾
（１）在合適地段加入電容補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償無功波動(dòng)；
（２）可以重新安排供電系統(tǒng)。
４結(jié)束語
隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重，一方面造成了電力設(shè)備的損壞，加速絕緣老化，另一方面也影響了計(jì)算機(jī)、電視系統(tǒng)等電子設(shè)備正常工作，直接擾亂了人們的正常生活。
諧波問題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，電力電子設(shè)備（特別一次設(shè)備）應(yīng)符合電磁發(fā)射水平，電子設(shè)備、電子儀器應(yīng)滿足電磁兼容性要求。
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