谐波的产生、危害及谐波治理的经济效益分析

《谐波的产生、危害及谐波治理的经济效益分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

谐波的产生、危害及谐波治理的经济效益分析济南鲁泰电气有限公司JINANLUTEELECTERCO,.LTD 一、前言2二、谐波的定义与性质3三、谐波的产生4四、谐波源及其特征谐波7五、谐波影响及治理后的效益分析8六、谐波国家标准17七、减小谐波影响的技术措施19八、基本术语27 一、刖吞电力系统波行畸变并不是一个新的问题，早在1920〜1930年间,德国就已提出静态整流器产生的波形畸变问题。但直到20世纪50〜60年代，市于高压直流输电技术的发展，才有大量关于换流器谐波问题的文章发表。20世纪70〜80年代，由于电气铁道的发展以及化工、冶金、钢铁、有色金属、煤炭和交通等工业部门大量使有了电力电子设备和应用电力整流和换流技术，使大量谐波注入了电网。谐波问题在有些电力系统中已经对电力系统和用电设备产生了严重的危害和影响，必须认真研究并采取相应的限制及管理措施。世界各国十分重视和关心谐波问题，多次召开了国际性的学术讨论会，不少国家已制定出对电力系统谐波和用电设备谐波的国家标准或电力部门的规定。国际电工委员会（IEC）和国际大电网委员会（CIGRE）都相继组成专门工作组，开展这方面工作，并制定了包括各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。1979年9月，英国电气委员会总工程师会议制定了供电网络谐波的有关规定（工程技术导则G5/3）。它已成为各国际组织和世界各国研究和制定谐波的标准，是进行谐波管理的典范。为了引起各方而对电力系统谐波未提及管理工作的重视，大力开展有关电力系统谐波的研究工作，1984年原水利电力部根据国家经委批准的“供用电准则”制定和颁布了SD126-1984《电力系统谐波管理暂行规定》。国家技术监督局在1993年7月31日发布了GB/T19549-1993《电能质量公用电网谐波〉〉,并于1994年3月1日起实施。二、电力系统谐波的定义与性质2.1电力系统谐波的定义国际上公认的谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。 国际电工标准（IEC555—2,1982）、CIGRE的文献（工作组报告36-05）中队谐波也都有明确的定义：谐波分量为周期量的傅里叶级数中＞1的n次分量，对谐波次数n的定义则为：以谐波频率和基波频率之比表达的整数。IEEE标准519—1981种的定义为：谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。2.2电力系统谐波的性质（1）谐波次数n必须是正整数。例如，我国电力系统的额定频率为50Hz,则其基波为50Hz,2次谐波为100Hz,,3次谐波为150Hz。n不能为非整数，因此也不能有非整数次谐波.（2）谐波和暂态现象的区别。通常认为谐波现象的波形保持不变，而暂态现象则在每周的波形都发生变化或有衰减现象等。根据傅里叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的和不变的。实际上很难完全做到，这是因为电力系统负荷是波动的，而负荷的变动会影响系统中的谐波含量。在实际分析中，只要被分析的现象或情况持续一段适当的时间，就可以应用傅里叶级数。因此，谐波可以分解成傅里叶级数。三、电力系统谐波的产生电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交、直流换流站的晶闸管控制元件，晶闸管控制的电容器、电抗器组等。但电力系统谐波更主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低 压电器设备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧。对于这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。其谐波含量取决于它本身的特性和工况，基本上与电力系统参数无关，因而可看作谐波恒流源。这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，使系统各处电压含有谐波分量。变压器的激磁回路也是非线性电路，也会产生谐波电流。荧光灯和家用电器单个容量不大，也能产生谐波，但数量很多且散布于各处，电力部门又难以管理。3.1变压器和电抗器造成的谐波在电力系统中，变压器的总容量一般是发电机总容量的4倍左右或更多，因此它是电力系统普遍存在的谐波源。变压器和电抗器产生谐波的原因是铁磁饱和特性，而系统运行电压则是使变压器和电抗器铁心磁饱和的决定因素。在稳态工作时，这种由磁饱和引起的高次谐波一般很小，不会对系统的工作造成严重的危害。正常工作时，变压器空载激磁电流仅为额定工作电流的2%〜5%,饱和电抗器正常工作产生的高次谐波C由设计良好的滤波器滤除。但当变压器流过直流时，增加了变压器铁心的饱和程度，激磁电流显著加强。例如，一台额定电流为10~30A,只要2〜3A的直流电流流过绕组，就可产生过热。在暂态过程中，铁心磁通或磁通密度的交变，往往偏向横坐标一侧，最大磁通或最大磁通密度比正常时成倍增加。由于磁饱和非线性, 使激磁电流大大增加，电流波形的畸变更加严重。变压器、电抗器饱和时的合闸涌流可达到额定电流的6〜8倍。这种电流包含很大的非周期分量和高次谐波分量。3.2电弧的非线性伏安特性造成的高次谐波在电弧燃烧过程中，电弧的电压与通过的电流有关。电流增大，电阻以更快的速度降低，这使得电弧的伏安特性呈现明显的非线性。即使在电弧中通过正弦波形的电流时，电弧电压的波形也不是正弦波形的。这就产生了高次谐波。（1）气体放电灯。气体放电灯的电路本身包含电弧，并串有镇流器稳定电弧放电，为提高功率因数和抑制高频干扰，还与放电灯并接电容器。放电灯产生3次谐波，谐波电流水平达5%〜20%,5次谐波达1%〜6%,其余次数的谐波量<1%O接在同一网络中的同种型号的放电灯，谐波电流水平也不相同，主要取决于电源电压。电压升高时，谐波电流减小，计算时可取3次谐波电流为10%,5次谐波电流为3%。如果照明负载很大，中性线可能因谐波电流过载,选择导线截面时应予考虑。（2）电弧焊设备。三相桥式不可控整流电弧焊设备被广泛采用，其电弧可按反电势考虑。按电弧焊设备负荷大小的不同，谐波电流值也不相同。在中等负荷下工作时，整流变压器一次侧电流只包含奇次谐波，但可能引起5次或7次谐波电流成倍增加或减小。电弧焊设备在满负荷下工作时，谐波电流较小，可按I二100/J估计。由于各整流器组点燃教的分散性和整流器特性的不稳定性，整流变压器铁 心饱和，使电弧焊设备常包含偶次和3倍数次谐波。(3)电弧炉。电弧炉是利用3根炭棒电极、炉料和铁渣之间的三相大电流电弧所产生的热量来熔化炉料的。融化时，由于反复不规则的将电极开路和短路，电弧不稳定，负载不平衡，因此产生谐波。谐波次数和发生量因电弧本身的特性和运行方式而不同。在熔炼初期，偶次和奇次谐波都很大，溶解期偶次谐波开始减小，精炼期偶次和奇次谐波都较小，熔炼初期的谐波电流成分主要为3次谐波电流。它引起各相不平衡，在变压器三角形接线中不能消除，很大一部分仍然会扩散到主系统中。电弧炉产生的3次谐波电流大小与炉子的特性及炼钢的钢水有关，大致为电路变压器额定电流的10%〜30%。电弧炉的电流波形中，尚包含异常谐波电流，如2、4、6次谐波电流。(4)2.3整流、换流装置整流、换流装置在变换电力的工作过程中，使得从电力系统输入的电压、电流之间失去了比例关系，导致了负荷电流波形的非正弦。因此，就整流装置来说，它既是一个从电力系统吸收功率的负荷，又是一个谐波能量的“源”。2.4家用电器家用电器单个容量不大，但数量多但散布于各处，电力部门对其又难以管理。家用电器所产生的谐波电流可以从低压系统馈入电网； 各类家用电器种，电视机尤其是彩色电视机产生的谐波电流是比较大的，主要是3、5、7次。随着家用电器的发展，其产生的谐波污染已日益成为不可忽视的问题。四、主要谐波源及其特征谐波所谓谐波源，通常是指各类特定的用电设备，即非线性用电设备。另外电力系统中大量的变压器群和并联电抗器也是谐波源。以下设备产生高次谐波电流：1、三相电力电子装置（主要类型是多相换流装置）换流装置的脉动数P，换流装置的特征谐波次数he二k*p±l。如果p为6,则换流装置的特征谐波次数为5、7、11、13、17、19、23、25次谐波电流。常见的多相换流装置的谐波源：冶金和化工企业中的电解装置，直流电弧炉，中频和高频感应电炉，整流装置等。2、电弧炉、精炼炉、铁合金炉、电石炉、中频炉电弧炉的谐波电流2~7次比较大，其中2、3、5次谐波相对较大。精炼炉的谐波电流3、5次比较大。铁合金炉的谐波电流2、3、4、5次较大。电石炉的谐波电流3、4次较大中频炉的谐波电流5、7、11、14次较大，其中5、7次比较严重3、电气化铁道 电气化铁道的谐波电流3、5、7次较大4、变压器群变压器群的谐波电流3、5、7次，有些电网的背景谐波就来自变压器群。5、市政生活用电中的谐波源电视机，节能灯、空调等，主要是3、5、7次，其中3次最大。五、谐波影响及治理谐波的经济效益分析1、谐波对电网的影响①造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。其次谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网的谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。②引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器的设备损坏；造成变电站系统中的设备和原件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通讯系统的正常工作，降低通信质量；增加附加磁场的干扰等。2、谐波对电力电容器的影响 当配电系统非线性用电负荷比较大，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谐波感抗等发生谐振时，引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。3、谐波对电力变压器的影响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压力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。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的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。4、谐波对输电线路的影响①谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路的谐波电流加上集肤效应的影响，将产牛•附加的损耗，使得输电线路损耗增加。②谐波污染增大了中性线电流，引起中性点漂移。5、谐波对电力电缆的影响①谐波污染将会时电缆的介质损耗、输电损耗增大，漏泄电流 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。②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，更容易发生故障。6、谐波对电力系统其他运行设备的影响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的同步发电机，将发生附加损耗，引起发电机的局部发热，降低绝缘强度。②对断路器的影响谐波会使某些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，对中压断路器遮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，在接地点得不到补偿，从而引发系统的故障扩大。7、谐波对继电保护装置的影响继电保护正常运行中，当电源谐波分量较高时，可能引起过电压保护、过电流保护的误动作。当三相严重不对称时，在正序谐波或负序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。 8、谐波对电能计量的影响①对感应型电能表计量准确度的影响感应型电能表对2次以上的谐波有逐渐增大的衰减特性，达到9次时已衰减掉80%以上。因此，谐波的影响具有下降频率特性,即对于同样大小的功率，电能表反应谐波功率的转速随谐波次数的增大而减小。主要原因是感应式电能表的圆盘涡流路径的等效圆盘阻抗角随频率的增高而增大，如当基波功率Pi谐波功率Pn通过感应型电能表时，电能表的转速为：wnMP]+KnPn式中：Wn电能表的转速；P1——基波功率；Pn——基波功率；Ki——基波系数；Kn谐波系数；当谐波电压和谐波电流达到基波量的20%时，Ki基本不变，Kn的实测结果如下：谐波系数人在不同谐波次数下的实测值谐波次数n3次5次7次谐波系数Kn0.60.40.28上表中，Kn为电能表反映谐波功率的转速与反映基波功率的转速之 比。谐波次数越高，Kn越小，而且心总小于1,这是因为谐波功率产生的转矩比等量基波功率产生的转矩要小。②对电子型电能表计量准确度的影响电子型电能表呈宽带响应的特性，电子表宽带主要受其互感器频带和乘法器时钟频率的限制。电了式电能表的误差主要源自其输入模块。在结构设计上，由于电能表输入模块的信号变送仅考虑基波，当电压电流波形发生畸变时，磁通不能相应的发生线性变化而产乞误差，影响了电能表的整体计量精度。如下式所示的系统供电电压，其3次谐波电压含有率为3%(基波有效值C作归一化处理人U(t)=V2sinl00nt+3%XV2sin(300nt+03)某用户接在此供电系统上，其负载电流如下式所示：7Ti(t)=V2sin(100nt-瓦)+20%XV2sin(300n93-9)负载谐波功率随谐波电压、电流相位差0变化的关系及对负载电能计量的影响见下表(基波有功为0.866；基波无功为0.5)：负载谐波功率随谐波电压电流相位差()变化的关系及对负载电能计量的影响相位差谐波功率负载电能计量影响(与基波电度比较)0(rad)PQ00.0060+0.69%ji/40.004240.00424+0.49%3n/4-0.004240.00424-0.49%-3n/4-0.00424-0.00424-0.49%-n/40.00424-0.00424+0.49%从电能计量的角度来看，正弦波电源供非线性负荷，负荷污染电网、向系统注入谐波功率，少缴电费，对电力系统不公平；谐波电源供线 性负荷，用户设备性能变坏，吸收谐波功率，多交电费，对电力用户不公平。9、谐波对用户电动机运行的影响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。10、谐波对用户补偿电容器的影响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容量，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，甚至发生串联谐振，引起电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。11、谐波对用户自动控制装置的影响电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面，即在设备的监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的损坏;干扰负载的保护回路，造成误动作等。12、谐波对居民生活用电的影响谐波引起电压波动和闪变产生脉冲磁场，时用电设备受到高能量冲击。 (1)最直观的感觉就是引起照明灯光和电视画面忽明忽暗的闪烁，造成视觉疲劳。(2)引起冰箱、空调的压缩机承受冲击应力，产生振动，降低使用寿命。⑶影响有线电视、广播的信号正常传输，可能通过电磁感应和辐射造成干扰影响。（4）引起电能计量误差，造成不必要的电费损失。13、谐波对用电安全的影响（0火灾影响一些建筑物突发性火灾已被证明与电力谐波有关。目前，节能灯、调光器和电器设备中开关电源应用的很普遍，本意是节能,但这些终端设备作为谐波源，对电网的危害很大。经有关部门测定，应用电器设备较多的酒店、商厦、网吧、计算机房、居民小区等，在没有采取滤波等措施前，中性电流都很大，有些甚至超过相电流，导线过热形成火灾事故的重大隐患。（2）设备影响电能质量的污染对继电保护、计算机系统和精密制造业的精密机械和仪器等，都可能影响正常的运行、操作、降低设备使用寿命，甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故，造成不同程度的影响和损害。（3）谐波是电网干扰通信的重要因素，主要通过静电感应（电容耦 合、电压作用）和电磁感应（电流作用），在通信线路上产生声频干扰。谐波频率高时，会发射杂音，在通信线路上引起音频干扰，严重时还可能触发电话铃响。采用屏蔽电缆通信，虽可消除静电感应的影响，但不能消除电磁感应的影响。综上所述，以及结合我公司这儿年安装谐波滤波及无功补偿装置用户的实际数据统计分析后，可以将谐波滤波补偿装置的技术经济效益归纳如下儿个方面:a.把用户注入公用电阿的严重的谐波电流（超标2〜5倍）限制在国标允许值内，使供电质量得到明显改善；b.提高了电气设备的利用率，取得挖潜容量14~41；c.提高用户功率因数，从0・6左右升至0.9以上，使用户避免了固无功不足而受到的电能罚款；d・减少电网及变压器的有功功率和无功功率损耗1/3〜2/3用户本身也因为电能质量提高后，在保持相同生产能力的情况下减少有功耗量4%左右；e.用户总用电电流减少20%-42.7%,电网向用户输送的无功功率减少25%〜92.5%；f.由于电能质量改善，使用户产品合格率提高0.5%〜1%；g・许多用户市于谐波干扰，使电容器损坏率很高，甚至不能投入运行.勉强投入的也将谐波电流放大2〜11倍，更恶化了谐波污染。谐波滤波装置投入后，设备安全正常运行.3年多来没有发现由于谐渡引起的电容器损坏现象。附： 估算经济效益的实用方法谐波滤波效果.是根据用户设备参数、谐波源性质、电网环境等条件进行具体计算、设计以及调试而取得的.而对于装置的补偿功能产生的经济效益可以利用下述式了进行估计:a.装设滤波装置减少的无功功率：AQ—P(tg4)i-tgd)2)(1)式中P：用户消耗的有功功率；©1、:装置投入前后功率因数角。b.投入滤波补偿装置后将减少电流△/心(0.5〜0・65)^^X/<2)当5时■可取0.5；当警孑°・5时•可取65。(2)式可写成标么值表达式匕=iAQ.⑶作为估算■可取方=0.5。c.装詈投入后可取得挖潜容虽△5=/TCJA/(4)d・装置投入后线损和变压器铜损减少量疔.~2△/-无功损耗减少量也类似推算•即m(5〉部分用户实测数据： 厂名客・补弦Pg△P(kW)Q】/Q△Q$亠△sh/h(kVA>H(kW>(kVar)(kVar>(kVA>(kVA)(A)兴发钳51材厂445U)150970/93484830/287S431280/9703051980/H69华明铝材厂1250336849/813ICH726/24048611J6/816270]821/133?腋业铝乜材厂1250308244/23914232.5/17216336・6/239.7971217/834汁头不锈铜500】68227/25516409/107302467/27619169"396罗怡歿厂16OP336795/79558843/24182J161/8313301717/1190水头氣化厂500168285/28225408/649339498/291207675/387绮稱侧宝材厂1WO280600/60648501/45456782/6121701201/«8»水车帕材厂500280378/$«125492/207Z85621心18€945/645兴达铭型林厂500168448.6/43】.975548/172.237670"4652431002/6】8中山啊誓厂C2号变》1250168735/72635477/200277876/7531231325/10豹r«△F(A)oo^j/cos?*廉少狈耗（K）hfi't(A)2几（A〉h/r,