電網(wǎng)諧波的危害及抑制技術(shù)

　　隨著電網(wǎng)容量迅速增長，電網(wǎng)運行電壓也不斷提高，國外輸電設(shè)備電壓已達1000kV?我國從20世紀(jì)80年代開始進入大電網(wǎng)時期，輸變設(shè)備電壓已達500kV。最近開始西北地區(qū)黃河上游水電深度開發(fā)，國家電力公司已批準(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，對供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越多，電力質(zhì)量(Power Quality)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、飛機場、大型金融商廈、大型醫(yī)院等重要場合的計算機系統(tǒng)一旦失電，或因受電力網(wǎng)上瞬態(tài)電磁干擾影響，致使計算機系統(tǒng)無法正常運行，將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。電梯、空調(diào)等變頻設(shè)備、電視機、計算機、復(fù)印機、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行，必定擾亂人們的正常生活。但是，電視機、計算機、復(fù)印機、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)、計算機技術(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，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導(dǎo)致控制單元損壞或失靈。例如，20世紀(jì)70年代計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現(xiàn)誤動作，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算機的電源部分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計算機在注入100～200V脈沖時就誤動作，難怪計算機在現(xiàn)場無法正常工作，其原因之一是計算機的電源受到了污染。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)運行癱瘓，會造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。

　　國際電工委員會(IEC)已于1988年開始對諧波限定提出了明確的要求。美國“IEEE電子電氣工程師協(xié)會”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)定了計算機或類似設(shè)備的諧波電壓畸變因數(shù)(THD)應(yīng)在5%以下，而對于醫(yī)院、飛機場等關(guān)鍵場所則要求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)電機制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個這樣的電源并網(wǎng)時，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)生的另一個原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時，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，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：開關(guān)電源的示意圖見圖1。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，這幾個部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣;

　?、僖淮握骰芈吩肼暎哼@是電容輸入型線路，整流脈動電壓要超過C1上的充電電壓，電流才從電源輸入，電流波形呈脈沖形(圖2)，對這種脈沖狀電流波進行“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;

　?、陂_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工作時也會形成噪聲;

　　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上的反電動勢也會形成噪聲;

　?、芸刂苹芈吩肼暎涸谕瓿煽刂七^程也會產(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，可以列出下列方程：

　　i0R1+N1=•U1•sin(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，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，磁通達到最大值Φ1=Φ1max=2Φm，如圖3。

　　鐵心中磁通波形對時間軸不對稱，考慮剩磁Φ0，則磁通波形再向上移Φ0，從而使對應(yīng)磁化曲線工作點移向飽和區(qū)，因此在磁通變化時，會產(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)過幾個周波即可達到穩(wěn)定。所產(chǎn)生的勵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的瞬態(tài)過電壓干擾：如果t=0時，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，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，如果此時弧隙介質(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=2•Um•ω0•C•cosω0t，(ω0=)

　　電容器上電壓為：

　　μc=idt=Um-2Umcosω0t (3)

　　因此，高頻電流ic經(jīng)時間第一次過零時，高頻電流被切斷，電容器上電壓Uc=3Um最大值，如果此時電弧被熄滅，則Uc將保持3Um不變。

　　t=t3時，Uj=4Um，此時弧隙又出現(xiàn)擊穿，則電容器電壓可達到5Um值。

　　實際上，由于觸頭間距在開斷過程中不斷增加，因此介質(zhì)強度不斷增大，當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)強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)不會達到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)電壓達到最大值)。

　　，用普通斷路器投切電容器c1時(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)中改進電機效率及靈活性設(shè)備，調(diào)速裝置內(nèi)電力電子器件對過電壓特別敏感，因此線路中瞬態(tài)過電壓會造成調(diào)速系統(tǒng)的過電壓保護誤跳閘。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)誤跳閘事故會經(jīng)常發(fā)生;

　　(4)電壓互感器鐵磁諧振過電壓：在我國10kV、35kV等級的中性點不接地配電網(wǎng)中，為了監(jiān)視對地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。在正常情況下，三相對地電壓是平衡的，但是由于發(fā)生單相接地故障等原因，會導(dǎo)致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感L和系統(tǒng)對地電容C在參數(shù)上配合，而產(chǎn)生諧振過電壓。為了分析，我們先看一下圖5，它是典型的L、C并聯(lián)電路。圖中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-直流電動機的調(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，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)該說電動機采用變頻器進行調(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、電動機、電容器及電抗器產(chǎn)生過熱。

　　這些高次諧波是通過三個途徑竄入產(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)電弧爐運行引起電壓波動：隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會更多地使用電弧爐，這是一個重要負(fù)荷。運行時，電極和金屬碎粒之間會發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬從電極上落下，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，會引起用戶端電壓波動及白熾燈閃爍，一般電壓波動頻率是0.1Hz～幾十Hz，這種諧波是以3次諧波為主。

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