諧波:諧波(harmonic wavelength),是一個數(shù)學或物理學概念,是指周期函數(shù)或周期性的波形中能用常數(shù)、與原函數(shù)的*小正周期相同的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的線性組合表達的部分。諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量,一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解,其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。
一、諧波的產(chǎn)生
在電力系統(tǒng)中,諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性,電力系統(tǒng)的某些設備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。
1、電網(wǎng)與電源設備
在電力系統(tǒng)中,諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)中,諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到**對稱,鐵心也很難做到**均勻一致和其他一些原因,發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波,但一般來說很少。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經(jīng)濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上, 這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波 電流也就越大,其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。
2、用電設備
(1)晶閘管整流設備:由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電 源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網(wǎng)造成了大量的諧波。
(2)變頻裝置:變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復雜,除含有整數(shù)次諧波外,還含有分數(shù)次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調(diào)速的使用的增多,對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
(3)電弧爐、電石爐:由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩(wěn)定,引起三相負荷不平衡,產(chǎn)生諧波電流,經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2~7次的諧波,平均可達基波的8%~20%,*大可達45%。
(4)氣體放電類電光源:熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性,可知其非線性十分嚴重,有的還含有負的伏安特性,它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
(5)家用電器:電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等,因具有調(diào)壓整流裝置,會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調(diào)器等有繞組的設備中,因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小,但數(shù)量巨大,也是諧波的主要來源之一。
二、諧波的危害
1、加大企業(yè)的電力運行成本
由于諧波不經(jīng)治理是無法自然消除的,因此大量諧波電壓電流在電網(wǎng)中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱,從而加大了電力運行成本,增加了電費的支出。
2、降低了供電的可靠性
諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖,不僅導致變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加,而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加,所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產(chǎn)生局部過熱,噪聲增大,從而加速絕緣老化,大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命,降低供電可靠性,極有可能在生產(chǎn)過程中造成斷電的嚴重后果。
3、引發(fā)供電事故的發(fā)生
電網(wǎng)中含有大量的諧波源(變頻或整流設備)以及電力電容器、變壓器、電纜、電動機等負荷,這些電氣設備處于經(jīng)常的變動之中,極易構(gòu)成串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當電網(wǎng)參數(shù)配合不利時,在一定的頻率下,形成諧波振蕩,產(chǎn)生過電壓或過電流,危及電力系統(tǒng)的安全運行,如不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。
4、導致設備無法正常工作
對旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機、電動機,由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗,從而降低發(fā)輸電及用電設備的效率,更為嚴重的是諧波振蕩容易使汽輪發(fā)電機產(chǎn)生震蕩力矩,可能引起機械共振,造成汽輪機葉片扭曲及產(chǎn)生疲勞循環(huán),導致設備無法正常工作。
5、影響通訊系統(tǒng)的正常工作
當輸電線路與通訊線路平行或相距較近時,由于兩者之間存在靜電感應和電磁感應,形成電場耦合和磁場耦合,諧波分量將在通訊系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾,從而降低信號的傳輸質(zhì)量,破壞信號的正常傳輸,不僅影響通話的清晰度,嚴重時將威脅通訊設備及人身安全。
6、降低產(chǎn)品質(zhì)量
由于諧振波的長期存在,電機等設備運行增大了振動, 使生產(chǎn)誤差加大,降低產(chǎn)品的加工精度,降低產(chǎn)品質(zhì)量。
7、對電網(wǎng)的危害
三、諧波治理的方式方法
1、諧波治理的方式
(1)集中治理:將濾波器安裝在低壓母線上或者是諧波負載分回路處進行統(tǒng)一治理。
(2)分項治理:在諧波負載電源線處直接治理,是針對帶有負載的設備進行諧波治理,具有針對性,哪里產(chǎn)生諧波,就治哪里。
2、諧波治理方法
(1)無源濾波器
由電感與電容串聯(lián)構(gòu)成的LC串聯(lián)濾波器,具有一個阻抗很低的串聯(lián)諧振點,如果我們構(gòu)造一個串聯(lián)諧振點為工頻頻率的串聯(lián)濾波器,并將其串聯(lián)在線路中,就可以濾掉所有的諧波。串聯(lián)濾波器由電感和電容串聯(lián)而成,并且串聯(lián)連接在電源與負荷之間,因此串聯(lián)濾波器的“串聯(lián)”二字具有雙重意思:一個意思表示電感與電容串聯(lián),另一個意思表示串聯(lián)在電路中使用。
(2)有源濾波器
源濾波器(Active Power Filter,簡稱APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。通過使用有源濾波器可以提高通信系統(tǒng)及配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,延長通信設備及電力設備的使用壽命,并且使配電系統(tǒng)更符合諧波環(huán)境的設計規(guī)范。
技術(shù)特點:
可實時動態(tài)濾除2~50次諧波,或者有選擇的濾除電網(wǎng)相線和零線中存在的各次典型性特征諧波(可以不受限制的任意選擇需要補償?shù)牟煌螖?shù)諧波),并可以根據(jù)需要設定需要濾除的諧波次和設定濾除諧波的目標值。
三相四線制APF在零線上的諧波濾波能力是相線濾波能力的三倍,針對照明等單相負載多造成零線諧波過載(零線上的三次諧波電流因為相位相同而疊加將會達到相線上的三次諧波電流的三倍)和相不平衡的情況。
完整有效的各類保護措施,確保正常工作和異常工況下,都不會對供配電系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)其他設備造成任何影響。包括各類保護功能(過載、過/欠壓、過流)、內(nèi)置高頻濾波回路確保APF自身高頻載波不會回饋電網(wǎng)、內(nèi)置緩啟動控制回路避免啟動瞬間過大突入電流??筛鶕?jù)負荷變化,自動合理限制補償電流,裝置永不過流,在濾波的同時,能完全避免過補償。APF自身高頻載波不會回饋到電網(wǎng),對供電系統(tǒng)及系統(tǒng)內(nèi)其他設備不造成干擾。
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