谐波产生的原因

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谐波产生的原因（精选九篇）

谐波产生的原因 篇1

今年来随着电力系统的迅速进步, 对电能的需求量越来越大, 电力系统的供电质量受到了人们的普遍关注。世界各国也因此制定相似的电能质量标准。目前我国的对电力系统质量标准主要有电压偏差量、频率偏差大小、谐波含量大小、三相不平衡的程度、电压波动与闪变等内容。在这当中, 电力系统的谐波是其重要内容。在电能质量谐波污染中, 主要污染源是电气化铁路, 电弧炉等。电气化铁路具有能够承受大负荷、实现高速化、节能、减小对环境的污染等较多优势, 现在已经成为我国交通运输领域的重要内容。随着电气化铁路的快速发展使电力系统的非线性负荷迅速增大, 这就使得电力系统的谐波污染迅速加大。文献[1]的统计数据显示电气化铁路已成为电力系统污染的重要来源。电气化铁路的负载具有非线性、不对称和波动性等特殊性。而且电气化铁路的谐波具有时变性、波动性等特点, 因此在处理时具有较大的特殊性。

二、电力机车电气化用电特征

电气化铁路谐波在世界范围内产生了较多的交通事故, 所以需要做好谐波污染源的治理。电气化铁路包括牵引变压器、牵引电机、输电线路与相关辅助设备。电力机车的负载是移动、幅值变化并变化较快的特点。牵引电力机车的负荷平均波动较大。产生平均波动大的原因和线路情况、机车型号和操纵、机车速度、牵引负载的大小都有较大的影响, 但是以上的因素又没有规律性。电压/电压的连线方式等同于两台单相变压器相连。这种连接方式容量利用率比较高, 接近100%, 其中负序容量约等于正序容量的50%左右。星形/三角形连接的变压器为三相变压器, 这种连接方式的变压器容量利用率不高, 约为75%左右, 负序容量约是正序容量一半左右。

电力机车牵引系统的负载是不平衡负载, 容易引起牵引电力系统的三相电压不平衡, 进而导致三相电压不对称, 会产生负序电流, 产生负序电压;电力机车牵引系统的负载由牵引电力机车的整流型产生, 该变流器设备含有丰富的谐波, 是谐波电流源。

三、电力机车电气系统谐波的产生及抑制方法

1、电力机车供电系统谐波的产生

电力机车的电能供应是在电力机车的沿线搭建牵引变电站, 通常由电力牵引系统为110k V双电源提供电能, 再通过牵引变压器变为27.5k V或55k V再经过牵引网向电力机车提供电能, 牵引电力系统使用25k V单相工频交流, 通过全波整流后驱动直流牵引电动机, 使电力机车行驶。电力机车牵引系统的两相、单相不对称的谐波电流, 通过牵引变压器的变换后, 高压侧通入电网的谐波电流为三相不平衡谐波电流, 除此之外还常伴有基波负序电流注入电网。

2、电力机车谐波的抑制方法

电力机车牵引系统产生的负序与谐波电流对供电的电厂和与之相联系的电力设备有较大的影响, 且对供电电厂的安全生产也具有较大的危险性, 所以需要对电力机车牵引系统的负序电流对机车的影响程度进行定量的计算, 并提出可行的措施。

(1) 谐波防治措施。电力机车谐波的治理主要采用以下三种策略进行。

第一、可在电力机车变流器侧装上滤波器设备;第二、在牵引变电器站装滤波器设备;第三、电力系统变电站的电能质量优化。

我国电力机车主要有以下几种方式:

第一、在电力机车上设置功补装置, 进行动态无功补偿, 并将频率调到3次或5次谐波。我国电力机车通常采用的是晶闸管开关投切滤波器的策略。

第二、在电力机车牵引变电站设置无源滤波器的方法。

电力机车牵引变电站通常使用断路器投切滤波器的策略, 由于可以进行反复的投切, 所以补偿效果一般不是很好。现在一般使用晶闸管控制的SVC来动态补偿无功来提高功率因数, 以此来降低牵引供电系统的谐波含量。但是因为电力机车滤波的本质上仍然是无源滤波装置, 这就有可能产生谐振, 除此之外无源滤波器的频偏也会影响谐波补偿的实际效果。

第三、在电力机车牵引变电站设置有源滤波器 (APF) 的方法。有源滤波器通常可用在动态补偿、无功及负序电流。由于是单独采用APF, 所需容量比较大, 而且价格较高, 所以通常使用有源与无源滤波器相结合的方法, 以此来提高谐波滤波的效果。然而因为当前我国的有源滤波技术还不是很完善, 元器件制造水平不高, 所以APF的全面使用还需要时间。

(2) 降低电力机车负序电流策略

第一、电力机车牵引变电站高压侧使用换相连接的方法。

第二、科学布局列车排列方式, 可以使单相负载均衡分配在沿线的侧边。

第三、使用同相供电系统和对称补偿的方法。

第四、可科学排列牵引变电站的供电电源, 这样可以让所有的都有稳定的主供电源与备用的电力设备, 不会把牵引变电站所得到的负序电流完全集合, 可以让多个电源分别分压, 在此过程中需要注意和牵引电力机车供电站的距离要适当, 而且需要主要容量不大的发电机是不能接受较大的负序电流的, 更不可以单独作为牵引电源使用。

第五、对电力系统的改进, 可以在发电厂和枢纽变电厂装设合适的相同调相机, 是它可以承担负序电流的能力比较大, 负序阻抗不高, 且需要有较好的防震特性。还可以在发电机的出线端增加限流电抗器设备, 这样可以有效地降低加入发电机的负序电流量。

四、结语

牵引电力机车谐波的抑制在理论和实际应用中都有明显的进步。现在这一研究方向需要解决两个较大的问题:第一、牵引电力机车谐波抑制的理论还不是很成熟, 需要逐步完善。对非线性电路中的功率问题, 还没有完全成熟的理论支撑, 这就导致了功率的检测、计量和谐波抑制的性能有较大的影响。第二、实际应用中还存在较多的实际工程问题。主要体现在电力电子设备、变换电路、器件的功能作用上。若需要改进牵引电力系统供电质量, 就需要有较大功率的谐波抑制设备。所以解决牵引供电系统供电质量问题最为根本的办法是研究对电力牵引机车电网没有或者较小谐波污染的电力电子设备, 但不是被动地先污染, 再治理的过程。功率因数为1的电力电子设备应当是未来研究的重点方向。

参考文献

[1]卢志海, 厉吉文等.电气化铁路对电力系统的影响[J].继电器, 2004, 32 (11) .

[2]王兆安, 杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社, 2004.

[3]李建华, 豆风梅, 夏道止.韶山IV型电力机车谐波电流的分析计算[J].电力系统自动化, 1999, 25 (16) .

[4]朗维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术, 2002, 28 (6) .

高次谐波的产生及其治理 篇2

一、概述

目前，许多变电所的负荷中含有大量非线性负荷，如整流装置、交-交变频装置、炼钢电弧炉、中频炉、电力机车、交流电焊机、高频电焊机、中频淬火炉、高频淬火炉、计算机的开关电源、带电子镇流器的荧光灯等。供电给这些非线性负荷的系统电压即使为理想正弦波，它们工作时的电流也是非正弦电流。这些非正弦电流波形按傅氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波。谐波频率为基波频率的整数倍时，称为高次谐波；其频率为基波频率的非整数倍时，称为分数谐波或旁频波；其频率低于基波频率时，称为次谐波。谐波电流流经系统中包括发电机、输电线、变压器等各种阻抗元件时，必然产生非正弦的电压降，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。电压畸变的程度取决于非线性负荷容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗，畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响。因而谐波电流和谐波电压是相伴而生、相互影响的。

二、谐波危害 2.1通讯干扰

非线性负荷供电系统产生的谐波对与其邻近的通讯线路产生静电感应及电磁感应，在通讯系统内产生不良影响。2.2同步发电机的影响

电力系统中的同步发电机，特别是以非线性负荷为主或以发电电压直接供给非线性负荷的同步发电机，高次谐波对其有较大不良影响。谐波电流引起定子特别是转子部分的附加损耗和附加温升，降低了发电机的额定出力。2.3对异步电动机的影响

谐波引起电机角速度脉动，严重时会发生机械共振。对电动机的功率因数和最大转矩都有影响。2.4对电力电容器的影响

由于电容器的容抗和频率成反比，电力电容器对谐波电压最为敏感。谐波电压加速电容器介质老化，介质损失系数tgδ增大，容易发生故障和缩短寿命，谐波电流常易使电容器过负荷而出现不允许的温升。电容器与电力系统还可能发生危险的谐振。此时，电容器成倍地过负荷，响声异常，熔断器熔断，使电容器无法运行。伴随着谐振，在谐振环节常出现过电压，造成电气元件及设备故障或损坏，严重时影响系统的安全运行。

2.5对电缆线路绝缘的影响

对电缆线路，非正弦电压使绝缘老化加速，漏泄电流增大；当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。2.6对变压器的影响 谐波电压使变压器激磁电流增大，效率变低，并恶化其功率因数。谐波放大会造成主变声音异常。2.7对测量仪的影响

高次谐波会引起电度表误差，谐波频率愈高，误差愈大，且均为负误差。

2.8对继电保护自动装置等的影响

当谐波电压水平较高时，对供电系统的电压自动调节的误差有所增加。负序系统的高次谐波电流对具有负序电流谐波滤波装置的继电保护装置有不良影响。谐波电流恶化甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的工作。2.9对整流装置的影响

高次谐波对脉冲—相位控制的可控硅（晶闸管）整流装置有较大影响，可能造成脉冲丢失而烧坏可控硅管。

由于谐波的这些危害，所以在设计和建设非线性负荷的配电时，必须满足国家制订的谐波标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93要求，采取抑制和消除谐波的措施。抑制和消除谐波，主要归结为抑制和消除谐波电流，使电压畸变率和系统注入公共连接点的 谐波电流符合国家标准。

三、公用电网谐波国家标准

国家标准GBT/14549-93中谐波电压限值和谐波电流允许值如下： 3.1公用电网谐波电压（相电压）限值见表1： 表1电网标称电压(kv)

电压总畸变率(％)

各次谐波电压含有率(％)

奇次

偶次

0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6

3.0 2.4 1.2

2.0 1.6 0.8

3.2谐波电流允许值

3.2.1公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2中规定的允许值。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值的换算为：

Ih=（Sk1/Sk2）×Ihp

式中：Sk1——公共连接点的最小短路容量，MVA； Sk2——基准短路容量，MVA；

Ihp——表2中的第h次谐波电流允许值，A； Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA

谐波次数及谐波电流允许值，3 4 5 6 7 8

A 9 10 11 12 13

0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 100 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9

250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7

500 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0

75.12 9.6 6 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7

续表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA

谐波次数及谐波电流允许值，A 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0.38 10 11 12 9.7 18 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 12 100 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 4.9 3.9 7.4 3.6 6.8 100 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.1 35 250 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 1.8 1.4 2.7 1.3 2.5

500 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 1.9 1.5 2.8 1.4 2.6

750 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9 3.2.2同一公共接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方式见下式： Im=Ih(Si/St)1/α

式中：Im——公共接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值，A；

Ih——按式(1)换算的第h次谐波电流允许值，A； Si——第i个用户的用电协议容量，MVA；

St——公共接点的供电设备容量，MVA； α——相位迭加系数，按表3取值。表3h 3 5 7 11 13

9(>13)偶次

α

1.1 1.2 1.4 1.8 1.9 2

四、谐波电流发生量 4.1整流装置谐波电流理论值

整流装置谐波有特征谐波和非特征谐波之分，特征谐波是指整流装置运行于正常条件下所产生的谐波。正常条件下的电源为三相对称系统，供电回路为三相对称回路。对于可控硅整流装置而言，各相控制角及特性没有差异。若整流装置运行于非正常条件下除产生特征谐波外，还产生非特征谐波。

特征谐波具有间断性幅值频谱，其谐波次数由整流相数决定。可以用一个简单的通式来表达。如以p代表相数（脉波数），k为正整数，则特征谐波次数为n=kp±1。

特征谐波幅值大小与重迭角γ和控制角α及容量有关，工程应用可由曲线查得。

非特征谐波可能具有连续的幅值频谱，其谐波次数不可能用一个简单的通式来表达。非特征谐波幅值大小虽可从理论上加以推导，但很困难且不准确。通常数值不大，工程上可取In=（0.15～0.2）I1/n。但个别工程由于整流装置的控制角误差而引起的非特征谐波值很大，甚至比特征谐波值还大。这时应调整整流装置的触发系统，使非正常谐波值减小。否则，谐波滤波装置的组数需增加，投资需增大。4.2交流电弧炉谐波电流发生量

炼钢电弧炉在熔化期间内，由于电弧特性是非线性的，将产生大量的谐波电流，而且三相电流不平衡，具有较多的3次谐波。从电流波形看出，正负两部分也是不对称的，说明还存在偶次谐波。主要是2次谐波。

电弧炉谐波电流的频率是一组连续频谱，其中整数谐波2、3、4、5、6、7次的幅值较大，而非整数次幅值较小。

在熔化期内，谐波电流随电弧电流变化，其峰值与均方根值相差很大。谐波滤波装置设计不宜采用瞬时峰值，应按最严重一段时间内的谐波电流平均值考虑。对一运行的电弧炉，最好通过测试取得。对新建或无条件测试的可参考表三选取。表4n 1 2 3 4 5 6 7

In/I1 100 7~11 8~13 4~6 5~7 2~3 2~3

五、谐波治理方法

5.1增大供电系统对谐波的承受能力；提高系统的短路容量；采用较高电压供电。

5.2减小谐波发生量：增加整流装置的脉动数、增大换向电抗、改善触发对称度；同类型非线性负荷尽量集中供电，利用谐波源之间的相位不同相互抵消部分谐波。

5.3避免谐波放大和谐振，选择合适的电容器组参数或采用合适参数串联电抗器。5.4安装电力谐波滤波装置 加大系统的短路容量难以实现，增加整流器的等效相数也受到限制，当等效相数超过12相时，需增加移相设备，同时会带来维修运行上的不便，安装谐波滤波装置就成了首选。谐波滤波装置既能消除谐波，又能补偿无功功率，提高功率因数，具有显著的经济效益。5.5抑制快速变化谐波的措施

快速变化的谐波源(如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等)除产生谐波外，往往还引起供电电压的波动和闪变，抑制快速变化谐波的技术措施就是在谐波源处并联装设静补装置，又称动态无功补偿装置。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗器或电容器组合而成。

目前技术上较成熟，工程上应用较多的有下述四种基本形式：

1.自饱和电抗器；2.晶闸管控制电抗器；3.晶闸管控制高漏抗变压器；4.晶闸管投切电容器。

我公司开发的“晶闸管过零触发装置”专利技术，应用于晶闸管投切电容器动态谐波滤波装置，其动态响应速度达到了晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置性能，其对谐波的吸收效果优于晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置。5.6有源电力滤波器

有源电力滤波器是运用电力电子技术，向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。

目前国内有源电力滤波器产品功率较小，价格较高，尚未大量使用。

有源电力滤波器技术是谐波治理技术的发展方向。

六、电力高次谐波滤波装置 6.1谐波滤波装置谐波器支路种类 谐波滤波器大致分为以下几种：（图一)a：单调谐谐波滤波器：频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。

b：双调谐谐波滤波器：可代替两个单调谐谐波滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。

c：一阶高通谐波滤波器：因基波损耗大，一般不采用。d：二阶高通谐波滤波器：通频带很宽，滤波效果好，但损耗比单调谐大，通常用于较高次谐波。

e：三阶高通谐波滤波器：电容器利用率较高，基波损耗小，但滤波效果不如二阶高通谐波滤波器，一般用于电弧炉滤波。

f：“C”式高通谐波滤波器：性能处于二阶和三阶高通谐波滤波装置之间，R的基波损耗最小，适用于电弧炉谐波滤波装置。

最常用的谐波滤波器为单调谐谐波滤波器和二阶高通谐波滤波器。

6.2 谐波滤波器的原理

我们以单调谐谐波滤波器为例来介绍一下谐波滤波装置的原理：（图二）

流入系统的谐波电流为：Isn=In×Xfn/（Xfn+Xsn）其中：

In——谐波电流发生量； Isn——流入系统的谐波电流； Xsn——系统的谐波阻抗； Xfn——谐波滤波器的总谐波阻抗。

谐波滤波器的总谐波阻抗为：Xfn=Rfn+j（2πfL－1/（2πfC））其中：

Xfn——谐波滤波器的总阻抗； Rfn——谐波滤波器的总电阻 f——流过谐波滤波器的电流的频率 L——电抗器的电感量 C——电容器的电容量

当在某次谐波下2πfL—1/（2πfC）=0时，Isn=InRfn/（Rfn+Xsn）。

一般地，Rfn＜＜Xsn，此时Isn＜＜In。

谐波电流绝大部分流入谐波滤波器，极小部分流入系统。这就是谐波滤波装置吸收谐波的原理。6.3谐波滤波装置的设置原则 谐波滤波装置的设置原则如下：

a、谐波滤波装置投运后，系统电压总畸变率和流入系统电流必须满足国家颁布的谐波管理规定。

b、谐波滤波装置可安装在总降变电所或车间。安装于总降变电所可实现集中滤波和无功补偿。安装于车间可实现无功就地补偿。两者各有利弊。

c、谐波滤波装置设计应考虑背景谐波和近期发展的非线性负荷。留有一定裕量。6.4谐波滤波装置设计步骤

6.4.1设计谐波滤波装置时用户应提供以下资料：

a、公共连接点（P.C.C.点）的最小短路容量(Sk1，MVA)。b、变压器铭牌参数。c、每台用电设备容量。

d、谐波源设备工作方式(整流方式、工作原理)e、最好能提供实测电能质量参数。6.4.2谐波滤波装置容量的确定 谐波滤波装置总容量确定的基本原则：

a、满足滤波效果的要求，即保证流入系统的各次谐波电流和母线上的综合电压畸变率在国标（GB/T14549-93）规定的范围之内。b、谐波滤波装置的基波无功输出要满足无功功率补偿的需要量。在满足上述技术要求前提下，装置容量不宜过大。一则会使投资增加，二则会使母线或系统电压升高。6.4.3谐波滤波装置的支路设置

谐波滤波装置一般分为几个支路，根据谐波发生量的次数和大小设置各支路的参数，在满足负载无功补偿需要量、满足公共连接点（P.C.C.点）的电压畸变率和流入系统各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生并联电流谐振，以保证谐波滤波装置的长期安全运行。

谐波发生量的次数和大小由现场测试或理论计算确定。现场测试能准确测量出系统中存在的谐波量的次数和大小，为谐波滤波装置的设计提供准确的参数。6.4.4谐波滤波装置的结构和性能

谐波滤波装置由滤波电容器、调谐电抗器、微电感电阻器、柜架、开关柜等主要设备组合而成。一般装有2—4个单调谐谐波滤波装置，有时包括一个高通谐波滤波装置或“C”式谐波滤波装置，依不同场合具体参数优化设计而定。6.5谐波滤波装置的运行操作与维护保养

a、滤波装置必须严格按照设计要求进行运行操作，投入谐波滤波装置从低次往高次，切除谐波滤波装置从高次往低次。b、高压谐波滤波装置运行时，任何人不得进入安全网门内。谐波滤波装置切除后，经10分钟放电，并进行可靠接地后，安全网门内方可进入。

c、当谐波滤波装置室温度超过规定值时，应启动降温设备。d、滤波电容器和调谐电抗器应定期测量C（uf）、tgδ、L（mh）、绝缘电阻等。

e、谐波滤波装置室应定期清扫，遇有风雪或风沙天气，应关闭门窗。

我公司拥有多套谐波滤波装置的设计、制造、安装、调试、运行经验。我们愿为您提供以下服务： a、谐波在线测量

包括各种非线性负荷的谐波电流发生量、引起供电线母线电压正弦波形畸变率、电力系统背景谐波等。b、谐波评估

实测或理论计算谐波发生量及其危害的预测，并提出治理的初步方案。

c、滤波装置的优化设计

包括设备参数选择、最佳系统设计和主要组件的设备设计以及工厂设计。

谐波产生的原因 篇3

在交流变频调速方式中，变频器作为一种频率可变的交流电动机驱动器，因其节能效果明显、精度高、运行可靠、维护简单等优点，已经广泛应用于电力、机械、工业、生活等各个领域中。但变频器主要组成器件是电力电子元件，具有非线性特性及其冲击性用电工作方式，会产生大量谐波，严重干扰电力系统，所以变频器谐波问题日益引起人们的关注。

一、变频器谐波产生的主要原因

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，谐波频率是基波频率的整倍数。从结构组成上变频器可分为直接变频和间接变频两大类。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器主电路为交-直-交结构，外部输入380V/50HZ工频电源，经三相桥式不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可调的交流信号。变频器就是利用这一原理将50Hz的工频交流电通过整流和逆变转换为频率可调的交流电源。变频器输入部分为整流电路，输出部分为逆变电路，这些都是由电力电子非线性元件组成的，这些电力电子装置成为变频器最主要的谐波源。因此在其开断过程中其输入端和输出端都会产生谐波。

二、变频器的谐波危害

变频器谐波对容量大的电力系统影响不是十分明显，但对于容量小的系统谐波产生的干扰不可忽视。谐波干扰对公用电网和其他系统的危害大致有以下五点：

1.增加了电网元件附加损耗，降低发电、输电及用电设备使用率

如电流谐波增加变压器的铜损，电压谐波增加铁损，从而使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量阈阈值减小；同时谐波也可能引起变压器绕组间电容之间的共振。

2.谐波影响各种电气设备正常工作

变频器输出谐波使电机附加功率损耗、发热；产生机械振动、噪声、过电流及过电压。断路器因谐波的存在可能造成高的di／dt，使断路器开断困难，并且延长故障电流的切除时间。谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器等。

3.谐波干扰临近的通讯系统，导致通讯质量降低，使系统无法正常工作

谐波还会使计量仪表引起误差降低精确度；对临近的通信系统产生干扰，使其无法正常工作。

4.谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差

谐波影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低，设备寿命缩短，家用电器工作状况变坏等。

5.谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大

这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故。

三、变频器谐波的预防措施

变频器使用方便、经济和高效，但对电网注入了大量的谐波和无功功率，使电能质量不断的恶化。所以应大力采取有效措施来预防变频器谐波的产生，减少供电系统及用电设备的谐波污染。具体抑制谐波措施如下：

一是变频器系统中应使用独立的供电电源或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器。

二是增加变频器供电电源内阻抗。因为电源的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用，所以内阻抗越大谐波含量越小。

三是变频器输出侧串联AC电抗器。变频器与电机间增加交流电抗器，减少传输过程中的电磁辐射。

四是安装有源滤波器。有源滤波器应串联或并联于主电路中，实时地从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而消除谐波，使电网中电流只有基波分量。

五是采用多相脉冲整流。在条件允许或要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法，但其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高。

六是开发无谐波污染的绿色变频器。目前对于“绿色变频器”有明确的品质标准要求，那就是输出和输入都为正弦波；输入功率因数可控，带任何负载都能使功率因数为1，可获工频上下任意可控的输出频率；变频器内置的交流电抗器能有效抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波影响。

七是其他减小或削弱变频器谐波的方法变频器和电动机之间的电缆应穿钢管且与其他弱电信号在不同电缆沟分开铺设；使用具有隔离层的变压器可以将大部分的传导干扰隔离在变压器之前；选用具有开关电源的仪表等低压电器；变频器使用专用接地线，且用粗短线接地。

综上所述，随着电力电子及微电子技术的飞速发展，变频器必将得到日益广泛的应用，同时分析和研究抑制变频器谐波的方法也将成为一个非常重要的课题。

（作者单位：李建军，山东省济宁市液压元件研究所；

谐波产生的原因 篇4

近年来, 无论是公共建筑还是民用住宅, 产生谐波的设备数量和类型都在急剧增加。各种新型的用电设备越来越多, 我们需要越来越重视用电设备内部大量非线性设备的使用而产生的高次谐波所造成的影响。为了保证地铁车站运营的舒适性和功能性, 地铁除了牵引负荷外, 还需要在车站内增添一些动力照明设备, 而其中非线性设备的大量运行必然会导致谐波的产生。如果电力系统受到谐波的污染, 不仅会影响到系统的运行效率, 还可能会损坏电力设备, 降低电力系统运行的安全性。本文通过对地铁配电系统谐波产生的原因进行分析, 探讨如何减少谐波造成的危害和谐波对配电系统的污染, 从而为地铁车站以及其他用户的配电系统创造一个安全又经济环境。

1 地铁配电谐波源的种类

众所周知, 地铁车站内存在多种低压、高压的电压等级, 多个弱电、强电系统, 多种直流、交流供电机制。因此, 我们需要有效地抑制谐波电流, 为地铁的正常运营提供保证, 从而创造更好的配电环境。地铁配电系统谐波源可以分为以下几种:

1.1 弱电系统电源

地铁车站内的配电系统很多都是弱电系统, 包括: 信号系统、通信系统、环境监控系统 (BAS) 、自动售检票系统 (AFC) 、安全门系统与防灾报警系统 (FAS) 等。目前, 很多开关模式电源都在现代电子设备中使用, 因此各弱电系统内可以产生大量的高次谐波。

1.2 EPS电源屏、变电所直流屏

在地铁车站内的EPS电源屏是给照明应急供电, 变电所直流屏是变电所自用电。EPS电源屏含有逆变器, 它们都含有充电器、高频开关整流模块等, 所以它们很容易产生5次及7次的谐波电流。

1.3 检修电源

在进行检修车站风机房内和区间隧道的时候, 难免会有电弧现象的产生。电弧的负阻特性会产生谐波电流, 而检修电弧需要很短的时间, 因此对电网的影响很小。

1.4 水泵、风机用软起动器和变频控制器

变频控制器一般采用三相桥式整流电路, 主要产生5次或7次谐波电流。功率较大的水泵和风机均配置了软起动器或变频控制器, 从而达到改善运行节能和起动条件。

1.5 镇流器和荧光灯

镇流器和荧光灯被广泛应用于地铁的其他站台、站厅等公共区域及办公管理区域。电子镇流器在整流后, 将直流逆变为高频交流电, 在此过程中产生谐波荧光灯属气体放电灯, 电路中含有负阻特性的电弧, 随着电流的增大, 电弧电阻会急剧减小, 从而产生谐波电流。镇流器和荧光灯主要产生3次谐波电流。

1.6 扶梯和电梯

地铁车站中有很多的扶梯和电梯, 控制扶梯和电梯一般都采用VVVF变频调速方式。随着VVVF变频调速装置的使用, 较大的谐波电流也会随之产生。

2 地铁低压配电系统中的谐波源

谐波产生于供变电、发输电和用电各个环节, 其中用电环节产生的谐波最多。配电系统网络中的饱和状态的铁磁性元件和整流装置是电力谐波的主要产生源。地铁低压配电系统用电设备中的谐波源主要有以下几种:

2.1 变频器和软启动器

变频器和软启动器已越来越多地被运用到地铁系统中的水泵电梯通风及空调系统中, 变频一般分为两类:交-直-变频器和交-交变频器。二者均采用相位控制技术, 所以在变换后会产生含复杂成分的谐波。

2.2 非线性电光源

荧光灯因具有光效高显色性好、配用电子镇流器后也可调光 (调频调幅) 等优点被大量用于建筑内外的各种场所, 但均含有奇次谐波。为提高功率因数, 荧光灯一般均装有并联电容器, 但电容器起明显放大谐波的作用。

2.3 EPS、UPS电源

EPS应急电源、UPS不间断电源所产生的谐波主要是由其内部的整流装置产生的, 因其谐波含量与整流装置相似。

2.4 计算机类弱电负荷

大多数计算机类设备都使用了开关电源 (SMPS) , 它不能从电源汲取连续的正弦电流, 而只能汲取脉冲电流, 从而产生大量的三次及高次谐波的分量。

3 谐波污染对地铁各个系统的危害

3.1 谐波污染对电网的影响

谐波污染对电网的影响有很多, 使电网不能发挥其安全性、稳定性、可靠性的特点, 例如造成电网的功率损耗增加、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂、遥控功能失常、设备寿命缩短、接地保护功能失常、电网发生谐振、线路和设备过热等。

3.2 谐波对电容器的影响

谐波使电网中的电容器感抗值成倍增加而容抗值成倍减少, 产生谐振, 放大谐波电流, 最终导致电容器等设备被烧毁。

3.3 谐波对电缆的影响

谐波污染对电缆的影响主要有:会使电缆的泄漏电流上升, 介质损耗、输电损耗增大, 温升增大。特别是对于干式电缆, 会大大增加局部放电, 产生附加损耗, 造成单相接地故障。

3.4 谐波对电力变压器的影响

谐波电流引起的附加损耗, 增加了变压器的铜损, 引起局部振动、过热、噪声增大、绕组附加发热, 使变压器的磁滞及涡流损耗增加。

4 抑制谐波的方法

针对地铁BAS系统, 变频器是最关键的谐波源, 下面以变频器为例, 重点论述应对措施。

4.1 正确处理变频器与周边设备的关系

减轻变频器本身对外界的无线电的干扰, 采取的措施有:①在变频器的输入、输出侧加装无线电干扰抑制电抗器, 型号有FILl和FIL2。图1是隐极机中谐波图。②避免使用输入阻抗高、频率响应好的数字式测量仪器仪表, 这样才能保证变频器本体和输入输出线所发射出来的无线电干扰不受影响。③防止变频器的输入、输出功率电线的布局对周边设备的控制线有电磁场耦合。

4.2 防止变频器引起电网波形畸变

①选择大一些电感量的电抗器, 这样才能保证变频器配置直流电抗器和输入侧交流电抗器, 以免引起电网波形畸变, 使部分设备工作不正常。②有条件的情况下, 要使用有PFC (功率因数校正) 技术, 加强对变频器内部整流滤波级的改型设计, 采用经过移相变压器绕阻的12脉整流技术, 以单相和三相变换器作为变频器的输入, 这样可以大大改善畸变。

5 抑制谐波的措施

电力系统抑制谐波的主要措施有:①在补偿电容器回路中串联一组电抗器。②增加整流相数。整流相数与高次谐波电流联系密切, 即相数增多, 高次谐波的最低次数变高, 则谐波电流幅值变小。图2是通过分布绕组来抑制谐波的示意图。③装设单调谐滤波器和高通滤波器, 组成部分包括电容、电感及电阻。④当2台以上整流变压器由同一段母线供电时, 可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和△形, 这就可使5次、7次谐波相互抵消。

6 结语

在地铁交通项目建设过程中, 首先在设计时要根据配置情况, 正确统计整个项目的谐波源, 然后根据这些情况, 科学认证谐波的产生情况, 从而采取相关的措施, 减少和避免谐波对轨道交通各个系统的危害, 以保证地铁运行安全、节能。

摘要：随着电力技术的快速发展, 新型用电设备在轨道交通行业中的应用越来越多。轨道交通是由多个系统工程构成, 每个系统之间相互依存、相互影响。文章对高次谐波的影响因素进行了分析, 提出相应的解决措施, 从而将可能的危害降到最低。

关键词：地铁,配电系统,谐波,原因,危害

参考文献

[1]牛荣健, 张晓琴.电力系统中的谐波问题[J].重庆科技学院学报:自然科学版, 2006 (3) .

[2]王乃永, 官澜, 李静, 等.地铁牵引供电系统对公网谐波影响仿真研究[J].陕西电力, 2010 (4) .

变频器谐波的产生及抑制方法 篇5

1 产生变频器谐波所造成的危害

(1) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗, 降低发电、输电及用电设备的效率, 大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。

(2) 谐波影响各种电器设备的正常工作, 使电机发生机械振动、噪声和过热, 使变压器局部严重过热, 使电容器、电缆等设备过热, 使绝缘老化, 寿命缩短以至损坏。

(3) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振, 从而使谐波放大, 引起严重事故。

(4) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰, 轻者产生噪声, 降低通信质量, 重者导致信息丢失, 使通信系统无法正常工作;

(5) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作, 并使电气测量仪表计量不准确。

(6) 变频器高次谐波电流除了增加输入侧的无功功率外, 频率较低的谐波电流还会降低变频设备的功率因数。频率较高的谐波电流还将以各种方式向外传播能量, 从而对电网中其它设备产生干扰危害。这些干扰若不予以处理, 就会使某些设备无法正常工作。

(7) 变频设备能产生功率较大的高次谐波成分, 对系统内其它设备干扰较强。变频设备的整流桥对电网来说是非线性负载, 它所产生的谐波对同电网中的其它电子电气设备产生谐波干扰。另外, 变频设备的逆变器采用PWM技术, 工作时其输出含有丰富的谐波成分, 因此变频设备对系统内其它电子电气设备来说是电磁干扰源。在变频设备输入和输出电流中, 除了能构成电源大功损耗的较低次谐波电流外, 还有许多频率很高的谐波成分。它也将以各种方式把自己的能量向外传播, 形成对变频设备本身及其它设备的干扰信号, 这样就会造成降低输变电及用电设备的效率, 影响了许多电器设备的正常运行。

2 变频器谐波的抑制方法

变频器谐波的主要抑制方法, 分别是屏蔽干扰源、采用电抗器、接地、设置噪声滤波器、合理布线等抑制方法。

2.1 屏蔽干扰源

屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效方法。通常变频设备本身用铁壳屏蔽不让其电磁干扰泄漏。输出线最好用钢管屏蔽, 特别是以外部操作模式控制变频设备时.要求信号线尽可能短 (一般为20m以内) , 且信号线采用双露屏蔽, 并与主电路线 (Ac380v) 及控制线 (Ac 220v) 完全分离, 绝不能放于同一配管或线槽内。周围电子敏感设备线路也要求屏蔽。为使屏蔽有效, 屏蔽罩必须可靠接地。

2.2 采用电抗器

交流和直流电抗器除具有提高功率因数功能之外, 同时也可非常有效地抑制输入电路中的高次谐波电流对其它设备的干扰。当变频器使用在配电变压器容量大于500KVA, 且变压器容量大于变频器容量的10倍以上, 则在变频器输入侧加装交流电抗器。而当配电变压器输出电压三相不平衡, 且不平衡率大于3%时, 变频器输入电流峰值很大, 会造成导线过热, 则此时需加装交流电抗器。严重时则需加装直流电抗器。

2.3 接地

实践证明, 接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合, 防止外部干扰的侵入.提高系统的抗干扰能力。变频设备的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式。要根据具体情况选用, 注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。

2.4 设置噪声滤波器

将噪声滤波器串联在变频设备的输入、输出电路中。噪声滤波器的主要作用是抑制具有辐射能力且频率较高的谐波电流。这些谐波电流以各种形式把自己的能量传播出去, 形成对其它设备的干扰信号;滤波器是用于削弱频率较高谐波电流的主要手段;在变频设备输出侧设置输出滤波器是为减小变频设备对电源的干扰。在变频设备输入侧设置输入滤波器是为了抑制变频设备对其它设备的干扰。若线路中有敏感电子设备, 可在电源线上设置滤波器以避免传导干扰。

2.5 合理布线

合理布线在相当程度上可削弱变频设备干扰信号的强度, 因此, 合理布线应该注意以下几个问题:

(1) 相关资料表明, 干扰信号的强度与被干扰控制线路和干扰源之间的距离的平分成反比。所以, 各种电网设备的控制线路加远离变频设备输入、输出电路。

(2) 两条控制线应相纹使用, 这是因为在两条相邻的绞线中, 通过电磁感应产生的电动势极性总是相反的, 这样较好地抑制了电磁感应干扰。

(3) 控制线与变频设备输入、输出线应该尽量交叉排列, 最好是垂直交叉。这是因为控制线与变频设备输入、输出线越是平行, 电磁感应和静电感应越严重, 干扰信号也越强。

3 结语

变频器谐波的产生对于工业生产的影响巨大, 因此很有必要对其产生及抑制办法进行探讨, 这是一个很漫长而艰巨的任务, 同时也是一个研究的新趋势, 具有较大的经济价值和社会意义。

摘要：目前变频器谐波已经成为公用电网最大的电磁污染源, 因此很有必要对其产生及抑制办法进行探讨。本文首先阐述了变频器谐波产生所造成的危害, 同时对变频器谐波的抑制方法进行了分析, 具有一定的参考价值。

关键词：变频器,谐波,产生,抑制方法

参考文献

[1]蔡光节.变频器的谐波干扰与抑制[J].电气时代, 2000 (04) :47～48.

[2]范义敏, 鲁军.变频器谐波的产生、危害及抑制[J].林业科技情报, 2002 (04) :112～115.

[3]徐琳, 祝小刚, 陆正北, 等.变频器谐波干扰抑制实例分析[J].石油机械, 2003 (06) :71～76.

浅谈电网中谐波的产生、危害及治理 篇6

在电力网中对三相交流发电机发出的电压应是正弦波, 波形中基本无直流量及高次谐波分量。由于电力系统中存在非线性元件的负载, 如整流器, 逆变器, 大容量的电力晶闸管, 电容性、电感性负载及变流设备等, 这些设备在传递 (如变压器) 、变换、吸收 (如电弧炉) 电力系统所供给的基波能量的同时, 又把部分基波能量转换成谐波能量, 向电力系统送出大量高次谐波, 使系统波形畸变、电力质量降低, 损坏电力系统中的设备 (如电容器、电缆等) , 使变压器出现过热, 效率降低, 使电动机损耗增加, 转子振动, 使保护自动装置误动。总之谐波对电力系统危害极大, 不但损坏设备, 增加损耗, 还严重威胁系统的安全运行。同时, 高次谐波会对通讯设备产生干扰信号, 所以国家对电网中谐波加以严控和限制。

谐波源按特性包括: (1) 变压器、电抗器一类的铁芯设备; (2) 整流器、逆变器一类的交直流变换设备; (3) 电弧炉一类的负载不稳定的非线性设备; (4) 各种电子设备及家用电器等。

一个非正弦波可用傅里叶级数分解成为一个直流量, 基波正弦量及一系列频率为基波频率整倍数的高次谐波正弦分量之和。

2 谐波的危害分析

谐波的危害主要表现在以下几个方面: (1) 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗, 使设备过热, 降低设备的效率和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整倍数, 高频电流流过导体时, 因集肤效应的作用, 使导体对谐波电流的有效电阻增加, 从而增加了设备的功率损耗、电能损耗, 使导体的发热严重。 (2) 对输电线路的影响:由于输电线路阻抗的频率特性, 线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下, 谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中, 变压器和输电线路的损耗占了大部分, 所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相电网中的中性线的电流增大, 导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容, 它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时, 在一定的参数配合条件下, 会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下, 并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时, 会激励电感、电容产生部分谐振, 形成谐波放大。 (3) 对变压器的影响:谐波电流使变压器的铜耗增加, 特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器, 会在其绕组中形成环流, 使绕组过热;对全星形连接的变压器, 当绕组中性点接地, 而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时, 可能形成3次谐波谐振, 使变压器附加损耗增加。 (4) 对旋转电机的影响谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。 (5) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性:谐波对电力系统中以负序 (基波) 量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重, 这是由于这些按负序 (基波) 量整定的保护装置, 整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰 (如电弧炉等谐波源还是负序源) 则会引起发电机负序电流保护误动 (若误动引起跳闸, 则后果更严重) 、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动, 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护等。 (6) 对电力容量器的影响:随着谐波电压的增高, 会加速电容器的老化, 使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加, 从而容量发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面, 电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时, 就会产生谐波电流放大, 使电容器因过热、过电压等而不能正常运行。 (7) 干扰通信系统的工作:电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合, 在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压, 干扰通信系统的工作, 影响通信线路通话的清晰度, 而且在谐波和基波的共同作用下, 触发电话铃响, 甚至在极端情况下, 还会威胁通信设备和人员的安全。

3 目前普遍运用的抑制高次谐波的方法

(1) 加大对谐波管理和技术监督力度。首先在用户申请用电时, 用户应向用电部门提供有关用电设备参数和运行特点, 进行必要的谐波核算和评估, 如超过国家规定, 则必需采取限制谐波的技术措施, 在设计和供电方案技术参数审查时一起审查, 签订供用电协议时必需明确谐波不得超过有关规定值, 同时用户必需在与电网交接口处安装谐波在线监测记录装置, 以进行全过程谐波监测。对老用户则逐家进行测量和评估, 对超标者, 限期采取治理措施。否则可拒绝续签供用电协议, 或停止供电。 (2) 改进设备选型, 如三相整流变采用Y△或△Y结线可消除3的整倍数的谐波, 增加整流变二次侧相数, 整流变二次侧相数越多, 则整流波型脉波数越多, 奇数低的谐波消除越多。 (3) 安装电容器组, 改变电源至电容器之间的感生电抗, 改变电容器组的无功出力可改变谐振频率, 电容器可采用一调谐电抗器, 使其在调谐频率下的感性电抗值等于容性电抗值。但该方式只能滤除某一频率, 整体效果尚不理想。 (4) 采用安装使用滤波器的方法, 无源滤波器采用较普遍, 其滤波效果与系统运行参数相关, 在特定情况下无源滤波器可能与系统发生谐振, 则补偿效果适得其反。效果较好的是采用有源滤波器, 可减轻无源滤器的缺点, 按与补偿对象连接方式分为并联型和串联型, 并联型能对谐波和无功功率进行动态补偿, 其补偿特性不受电网阻抗的影响, 是一种较好的补偿装置, 但因并联型有源滤波器相对容量较大, 存在初期投资大的缺点, 所以很多场合下, 选择了一种降低容量的混合型补偿方式。 (5) 对于像电弧炉非线性无规律负荷及像轧机无功冲击使电网电压波动的负荷, 将会产生有害的高次谐波、功率因素降低, 使电网电压产生严重畸变, 对电网危害极大。

对于上述负荷应采用TCR型静止型动态无功补偿装置 (SVC) 来消除无功冲击, 滤除高次谐波, 平衡三相电压会取得较好效果。

SVC原理简单来说就是电容器提供固定的容性无功QC, 补偿电抗器输出感性无功QTCR, 感性无功和容性无功相抵消, 则能实现电网功率因素为常数, 电压几乎不波动, 其关键是控制晶闸管触发角, 得到所需流过补偿电抗器的电流。晶闸管变流装置和控制系统能实现这个功能。

采集母线无功电流和电压值, 合成无功值和所设定的恒无功值进行比较, 计算得出晶闸管触发角大小, 通过触发装置, 使晶闸管流过所需电流。

4 结语

谐波危害极大, 当今工业化日益推进, 谐波危害也越来越严重, 采用各种有效办法治理谐波已十分迫切。

电力系统谐波的产生及抑制方法探讨 篇7

近年来电力电子技术得以广泛的应用, 无论是家用电器还是变流装置在应用过程中都会导致供电系统非线性负载大幅度增加, 从而导致电网产生大量的高次谐波。这些谐波在电力系统中存在, 当运行时间较长时, 则会导致能量损耗、变压器过热及绝缘老化等现象发生, 从而使电力系统处于不安全的运行状态, 因此需要针对电力系统运行过程中谐波的来源及危害, 从而对谐波采取有效的抑制方法, 确保电网能够安全、稳定的运行。

1 谐波定义及特征

1.1 供电系统谐波的定义

当对供电系统运行过程中的周期性非正弦电量进行分解时, 所得到的分量一部分与电网基波频率相同, 另一部分分量大于电网基波频率, 因此将这部分电量称为谐波。谐波次数则是谐波频率与基波频率的比值。在电网运行过程中, 也存在着一些非整数倍谐波, 即非谐波或是分数谐波。谐波对于电网运行过程中的干扰因素, 会对正常运行的电力系统带来一定的干扰, 影响电力系统运行的安全性和稳定性。

1.2 电力谐波的特征

在电力系统运行过程中, 在理想状态下, 三相交流发电机所发出来的电压波形为正弦波形, 即在只有线性元件的简单电路里其电流和电压则会呈现为正比例的关系, 而所流运的电流也是正弦波。但在供电系统实际运行过程中, 非线性负荷的存在具有不可避免性, 这也就导致电流和电压无法呈现出线性关系, 从而导致非正弦电流产生, 而负荷图形也都属于非对称性。在负荷不断变化下, 负荷图形的斜率也会随之而发生改变。而且对于任何坝基性的波形来讲, 都可以将其进行分解, 会得到一个基频正弦和许多谐波频率的正弦。通常情况下, 谐波频率为基频的整倍数, 而且当电流波形出现畸变时, 还会有多次谐波产生。对于所产生的谐波, 其电流量与电网的参数并不存在什么关系, 主要由谐波源设备本身的特性及工作状况决定, 可将其视为恒流源。各种晶闸管电路上所产生的谐波称为该电流的特征谐波, 主要取决于电路的形式。

2 电力系统中谐波的来源

2.1 发电环节

长期以来各国根据自身的能源资源构成多采用火力、炎力及核能等形式来进行发电。但近年来化石资源短缺的现象日益严重, 能源危机不断加剧, 在这种情况下, 人们对绿色新能源更加青睐, 一些清洁、无污染及可再生的绿色能源开始在发电系统中进行就用, 多以风能、太阳能及燃料电池等为主。利用这些种类能源进行发电时其发电形式多以非正弦及非工频的形式为主, 这就需要在将其接入电网过程中需要毛毛虫用电力电子电能转换装置, 将这些电源进行转换, 以正弦及工频的交流电源形式从而使不同频率的电源及电网能够处于同步运行。但在这种过程中, 如由变频装置来将风能接入电网时, 则需要由变频装置装一定数量的谐波注入到电网中, 这则会导致电网中谐波来源越来越复杂化。另外, 发电机三相绕组及铁芯等在运行过程中也不可处于完全一致性, 不可避免的会有谐波产生。

2.2 输配电环节

随着柔性交流输电技术和高压直流输电技术的快速发展, 大量的电力电子装置被引入电力系统中, 比如用于提供无功功率补偿功能的静态无功补偿器、用于提高输电线路输电容量和改善线路运行情况的可控串联补偿装置以及用于高压直流输电技术的高压直流换流器等, 这些电力电子装置虽然灵活的控制了电网的运行, 保证电能安全、稳定、经济、高效的输送, 但由其产生的谐波给电力系统带来了不小的副作用。

2.3 用电环节

随着电力电子技术的长足发展, 一些大功率的开关器件构成的新型电器产品越来越被广泛应用, 它们大多采用非正弦的电流方式用电, 对于电力系统来讲属于非线性负载, 其在节能方面确实产生了一定的作用, 但是, 这些以非正弦电流方式用电的新型非线性负载已经成为当今电力负载中最主要的谐波源。

3 电力系统中谐波的危害

电力系统中谐波的存在对电力系统运行的稳定性带来了较为严重的影响, 直接威胁电力系统发供电设备正常的运行。在电力系统输电线路中, 谐波的产生会导致网损产生, 同时还会导致电能传输效率降低, 严重影响电网中电压质量。而且在输电线路运行过程中, 由于存在畸变的谐波, 则会导致各种不同种类的继电器有误动作及不动作的现象发生, 不利于供配电系统运行的安全性。当谐波存时, 变压器和电动机运行过程中绕组及铁芯线圈会存在额外发热的情况, 导致损耗增加, 对其使用寿命具有较大的影响。而且谐波存时, 还会对计算机和通讯系统的正常运行带来不同程度的干扰, 使其工作的精度受到影响, 甚至导致画面出现畸变, 使画面质量下降。而且随着科学技术的快速发展, 仪器开始向更高精度的方向发展, 控制系统越来越复杂化, 人们对电网质量的要求不断提升, 这也会导致谐波的危害更加明显, 谐波会成为当前我国工业快速发展的重要阻力, 使工业发生过程中会有巨大的经济损失产生。

4 电力系统中谐波的抑制方法

当前电力系统中为了能够有效的对谐波进行抑制, 通常会通过二种方法来进行, 即安装谐波补偿装置和对电力设备进行改造。

首先, 安装谐波补偿装置。这是一种补救性措施, 通常是将谐波补偿装置安装在已经产生谐波的设备和系统中, 补偿装置以无源滤波器、有源滤波器及混合型有源滤波器为主。当前应用最广的当属于无源滤波器, 其不仅结构简单, 而且费用较低。近年来随着滤波技术的快速发展, 有源滤波器得到产生, 其主要是通过对谐波电流进行检测, 然后将与检测谐波大小电波相同及相位相反的谐振波电流注入到系统中, 两个谐波电流在相互抵销过程中确保了系统能够安全、正常的运行。将无源滤波器和有源滤波器的优点有效的综合在一起, 从而形成混合型有源滤波器, 不仅可以实现谐波的快速补偿, 而且可以实现对谐波进行过滤及无功补偿, 确保了滤波补偿效率的提升。

其次, 改造电力设备。这是一种防御性措施, 在电气工程设计时就对谐波因素进行充分考虑, 从而采取有效措施来实现对谐振波进行控制, 尽管这种对电力设备进行改造的方法无法完全消除谐波, 但对于谐波的产生能够产生一定的抑制作用, 减轻谐波所带来的危害。

5 结束语

就目前的电力系统而言, 谐波源存在于发供用电的各个环节, 谐波源的存在严重影响了电网的质量以及运行的稳定, 随着电力电子技术的不断发展, 各种大功率整流设备的广泛应用, 谐波的危害作用将会愈加凸显, 其表现形式会更加复杂, 造成的经济损失会更加巨大, 这是我们的电力系统的必然挑战, 也是我们输电技术发展的重要契机。

参考文献

[1]刘利宏.治理谐波污染、提高电能质量[J].电气时代, 2002 (8) :41-42.

[2]杨斌文.电力系统中谐波的抑制方法[J].电气时代, 2002 (3) :55-56.

谐波产生的原因 篇8

1.1 电网产生的谐波

煤矿电力系统的电力供应网络产生谐波是由于发电机内部电枢表面磁感应强度状况与正弦波分布状况具有一定偏离, 由此电网中的电流就会偏离正弦电流。当电源处于并网状态时, 整个电力供应网络中的电源电流就会偏离正弦波电流;此外, 非线性负载同样也会产生谐波, 当供电电网中的电流在线性负载上通过时, 负载上的电流与电压就会产生线性关系, 通过非线性负载的电流呈非正弦电波状态, 因此就产生了一定的谐波。

1.2 煤矿设备产生的谐波

1.2.1 晶闸管

在煤矿生产电力系统中, 煤矿的机电设备将产生谐波。晶闸管整流设备将产生谐波, 整流设备是电机车的动车装置, 可将交流电转变为直流电, 由于电力系统电路中的二极管是理想二极管, 因此, 电流只能在其中单向流动。从煤矿机电设备的整流器输出端我们可以看到, 每相电流的波形都是矩形波, 不是正弦波。如果用傅氏级数将矩形波的周期予以展开, 那么就可以清晰地发现该系统所叠加的波形。晶闸管在煤矿电机车在电力系统谐波的广泛应用, 煤矿机电设备产生谐波。机电设备中的晶闸管使用移相控制, 晶闸管的广泛应用, 使煤矿电力系统遭受高次谐波的影响比较大, 从而加大了电网的谐波污染。据统计, 由晶闸管整流装置产生的谐波将占到整个电力系统所产生谐波量的百分之四十左右。

1.2.2 变频装置

煤矿电力系统电机车使用变频器调速, 调速过程中将产生高次谐波对煤矿电力系统进行谐波污染, 对厂区的电视、音响系统正常工作以及使用, 同时也对煤矿电力系统二次仪表运行产生影响。煤矿电力系统变频装置是采用相位控制, 煤矿谐波的成分较为复杂, 一般而言, 煤矿谐波不断含多数整次谐波, 而且外还含有少量的分数次谐波。由于变频装置的谐波含量比较大, 因此产生谐波的概率也大大提升。

1.2.3 气体放电类电光源

煤矿电力系统气体放电类电光源的使用, 也就是电力系统荧光灯、高压钠灯、高压汞灯等的采用也将产生谐波污染。煤矿电力系统的高压气体放电类电源在放电过程中具有负电阻特征, 电力系统的串接非限定镇流器、高压钠灯以及汞灯使用较多, 其主要产生3、5、7次谐波, 系统谐波产生量与高压气体放电灯容量呈正比例关系。气体放电类的电源灯非线性较为严重, 部分还有负伏安特性, 从而对电网造成奇次谐波电流。

2 煤矿电力系统谐波危害

2.1 供配电线路

煤矿电力系统产生的谐波将对供电线路的正常稳定运行产生影响, 据调查显示, 目前供配电系统中使用最多的电力线路和变压器主要包括电磁式、感应式继电器以及晶体管继电器等。当谐波的含量达到百分之四十时, 电磁式和感应式继电器就会出现误动作;尤其是晶体继电器, 它采用的整流取样电路更容易遭受谐波的影响, 而出现误动作或者拒动。电力系统中产生的谐波将导致电网电压和电流畸变, 那些同频率谐波电压与电流也会产生有功功率与无功功率的同次谐波, 从而大幅地降低了电网的电压, 造成电网容量的浪费。

2.2 电力设备

煤矿电力系统中产生的谐波也会对变压器造成严重的危害, 谐波能增加变压器的铜耗, 造成电阻、导体涡流耗损以及导体外部漏磁通而产生的杂散损耗, 同时, 谐波还会加大变压器工作时的噪声。除此之外, 谐波还会对补偿电容器造成一定的危害。由于谐波的存在, 常常使煤矿电力系统的电压呈尖顶波形, 这会使电容器过流而发热, 同时承受着较大的脉冲电压, 进而使其表层的绝缘介质加速老化。当谐波情况比较严重时, 甚至还会将电容器击穿, 而发生爆炸。此外, 电容器在畸变电压的电网中还将加剧电网谐波。

3 煤矿电力系统谐波的处理策略

3.1 无源滤波器

一般而言, 煤矿电力系统中的无源滤波器的构成原件主要包括电容器、电阻以及电抗器等, 再通过L、C进行串并联, 只要使其在产生谐波时保持谐振状态即可, 也就是让该次谐波中的电流通过滤波器, 从而减少流入电网的谐波, 供电母线上的谐波电压受到了很大的限制。其原理是:对某次谐波设置抗阻道路, 抑制高次谐波的产生。目前来看, 现代工程中所使用的滤波器品种很多, 总结之, 主要有单调或双调谐滤波器、二阶或三阶宽频带高通滤波器以及电容器组容抗等。

1) 单调谐滤波器。从实践来看, 一阶的单调谐滤波器的滤波效果非常明显, 而且结构比较简单, 但其缺点是电能损耗太大;二阶的单调谐滤波器的基波损耗将减少20%~50%, 能源消耗较少。三阶的单调谐滤波器虽然损耗最小, 但其组成结果缺比较复杂, 因而投资比较高。一般而言, 电力系统的二次滤波器应当使用三阶滤波器, 其余则可选择二阶单调谐滤波器。2) 高通滤波器。一般而言, 高通滤波器主要用于某次及以上谐波的抑制。比如, 通过对电弧炉系统的参数调整, 可以对五次及以上次数的谐波形成一条低阻抗通路, 进而减少了高次谐波产生次数。同时要选用对应的单调谐滤波器与该设备相配套, 置于高次谐波, 可采用高通滤波器对其控制。3) 采用电容器组容抗。在经济技术条件允许的基础上, 可设置SVC等动态无功补偿装置或静止同步补偿装置, 能够有效地抑制谐波, 减少谐波电流的注入, 从而提高系统承受谐波的能力。煤矿电网一般都接着谐波负载, 不能把补偿电容器直接与电网相连, 五次谐波频率以下的电网都有谐振, 且并联抗阻会大幅升高。谐波发出的五次谐波电流一旦流入谐振回路中, 就会产生谐波电压, 其叠加于基波电压上, 导致电压波形畸变。为了解决这一问题, 可以根据电网的阻抗与电容器的容抗计算出并联谐振的频率, 再调整电容器的容量配置, 使其频率与特征谐波的频率保持一定距离, 从而降低谐波的谐振量。

从实践来看, 煤矿电网的阻抗处于不断的变化之中, 很难完全避免谐振, 特别是电容器分组调节运行时情况更为复杂, 当需要进行补偿时, 可使用电容器回路中串联电抗器。

3.2 有源滤波器的使用

由于无源滤波器的滤波特性受系统参数影响比较大, 因此只能消除特定的几次谐波, 置于某些次数的谐波就会产生放大效果, 或者出现谐振现象。基于此, 人们逐渐转向有源滤波器的研究, 它不但可以实现对各次谐波的补偿, 而且还可以抑制电压闪变问题, 具有二次适应的功能, 自动跟踪并补偿变化谐波。有源滤波器主要利用功率可控的半导体向电网中注入和谐波源电流幅值基本相等且相位反向的电流, 使电源总谐波的电流值变为零, 从而实现实时补偿谐波电流并抑制电力系统产生谐波的目的。

摘要：本文阐述了煤矿电力系统谐波的产生原因分析、危害及其对煤矿电力系统谐波的处理策略, 建立滤波装置实现对电力系统谐波的处理和抑制, 更好地建立完善而持续运行的煤矿电力供应系统。

谐波产生的原因 篇9

随着我国交通事业的发展,其建设标准也在不断提高,交通工程项目在建设运行中将产生大量谐波,对电网电能质量将造成较大影响[1,2,3]。其中,有些交通通道会有隧道穿行,为了减少隧道内的有毒气体含量,通常要设置大量的射流风机,风机在起动时将产生较大的起动电流,该起动电流会对电网造成较大的冲击,给电网和电机造成不良的影响。为了降低风机的起动电流,这些风机可采用晶闸管软起动器,以软起动方式起动,并依据设定的条件进行起、停。在风机成批软起动时,会产生大量的谐波,而谐波对电网的危害较大,一直是电力系统治理的重要课题[4,5,6]。因此,为确保电网电能质量及运行设备的安全,有必要对隧道内风机软起动时产生的谐波进行分析研究,以便采取适当的措施,将谐波对电网电能质量的影响降至合理水平。

1 风机软起动器的工作原理

为了降低风机的起动电流,一般工程建设中可采用风机软起动方法[7],如:隧道建设中常用的晶闸管软起动器,该软起动器实质上是相控的交流调压器,其利用串接于电源和被控异步电机之间的三相反并联晶闸管对电路进行控制[8,9,10],由晶闸管构成的相控调压电路通过有规律地开闭电路,即可调节电机定子的端电压,降低风机的起动电流。其工作原理如图1所示。

风机软起动器工作时需满足以下3个条件:

(1)三相电路中至少有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通,并采用导通角>60°的宽脉冲或间隔60°的双脉冲触发电路。

(2)为保证输出电压三相对称且有一定的调节范围,除要求触发信号与相应交流电源有一致相序外,各触发信号之间必须严格保持一定的相位关系,即A、B、C三相电路中正向晶闸管的触发信号互差120°,同一相中反相并联的2个晶闸管触发信号相位互差180°,即T1~T6之间依次各相差60°。

(3)对于电阻-电感性质的负荷,设该负荷阻抗角为φ,在运行中电流滞后电压φ角,所以应使晶闸管的触发导通角a>φ,以便达到调压的目的。

2 风机软起动时的谐波分析

晶闸管软起动器虽可降低风机的起动电流,但也会产生非正弦电流,致使其电压、电流等电气量除基波分量外还含有高次谐波,并将产生的谐波电流注入电力系统。该谐波的大小与晶闸管的导通角和负荷的功率因数角有关。本文以粤北地区目前在建的一条高速公路为例,分析隧道群内风机配置情况和风机软起动时的谐波分量及其对电网的影响。

2.1 隧道群内风机配置情况

粤北地区某在建高速公路隧道群长达20 km,隧道控制系统根据隧道内的CO气体含量控制风机的运行台数,本期工程拟配置单台功率30 k W、功率因数为0.8、采用三相异步电机驱动的射流风机170台,远期拟配置202台。隧道群地区拟新建2回35 k V专用线路接入粤北电网,通过35 k V用户变电站为隧道群内风机等负荷供电,风机全部采用软起动方式,为减少起动电流对设备的冲击,起动电流被限制在额定电流的3倍以下。

2.2 风机软起动器产生的谐波

由晶闸管软起动器的工作原理可知,其起动时产生的谐波一般满足狄里赫利条件,采用傅立叶级数对其展开,其表达式为

式中:a0、am、bm为傅立叶系数;m为1~∞的正整数,代表谐波的次数;t为时间,s。

通过式(1)的展开并对其作相应的处理,即可将各种受谐波影响而产生畸变的电流波形转化为由标准正弦波函数及频率为其整数倍的正弦波函数的叠加,以便后续处理。

异步电动机定子电流中各次谐波都将在气隙中感应出相应的高次谐波磁场,从而产生一系列高次谐波转矩,并构成异步电动机的附加转矩,这些附加转矩的存在不但会使电机产生附加损耗,引起振动和噪声,同时也对电机的起动过程产生负面影响,其中,5次和7次谐波磁场产生的附加转矩对风机起动的影响最大。对该影响的主要应对措施如下:

(1)风机软起动产生的5次谐波为反转磁场,当转子转速n>0时,5次谐波产生的磁场是负值,与基波产生的磁势反向,对反向旋转的磁势而言,电动机工作在制动状态,由于谐波频率较高,在转子中将感应出更高频率的谐波电流,造成电动机转子发热。因此需将5次谐波含量控制在允许范围内。

(2)风机软起动时产生的7次谐波为正转磁场,它和转子的作用与基波磁场一样,其同步转速为n7=(1/7)n1,其中,n1为基波的同步转速,n7为7次谐波的同步转速。设电动机转速为n,当0<n<n7时,转子和7次谐波磁场的作用是电动机状态,风机输出转矩为正;当n>n7时,转子和7次谐波磁场的作用为发电机状态,风机输出转矩为负。7次谐波虽然不像5次谐波一样会产生反转磁场,但7次谐波产生的转矩与基波产生的转矩合成后,形成的转矩在转速靠近(1/7)n1处有一个最小转矩Tmin,若最小转矩Tmin<负荷静力矩Tc,则电动机起动过程中将在低速下“爬行”,这时的电磁转矩与负荷力矩已达到平衡,电动机不能升速到正常转速。为了避免出现电动机在低速下的“爬行”,在采用晶闸管软起动器时,要根据不同的负荷以及不同的起动要求而选择适当的起动方式,并应尽量在起动初期采用较小的控制角,等出现“爬行”转速后,再增大控制角,以便最佳利用软起动器,达到理想的起动状态。

2.3 Simulink仿真

Matlab是一种用于电子电路分析、计算和设计等领域的仿真软件,Simulink是Matlab中基于框图的仿真平台,该平台提供了各种仿真工具箱,其模块可方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统等方面的仿真[11]。本文基于Matlab/Simulink建立的异步电动机直接起动及通过晶闸管软起动仿真模型来完成仿真实验和实验结果分析。为简化过程,仿真中:(1)不考虑线路等非主要参数;(2)电源系统为三相交流系统,采用2台双绕组变压器模型分别代表35 k V主变压器及10 k V配电变压器,并采用1台异步电动机模型模拟风机。

2.3.1 风机直接起动模型

根据电网及设备的实际参数建立风机直接起动仿真模型如图2所示,图中,N为中性点;m为射流风机的输出参数;wm为电机转速;Te为转矩。电力系统通过35/10 k V的主变压器和10/0.4 k V配电变压器2级变压后,与单台最大输出功率为30 k W的射流风机连接,风机的额定电流为55 A,仿真射流风机在上述仿真条件下直接起动,仿真转速曲线及起动电流曲线输出结果如图3、图4所示。

由图3可以看出:在直接起动模式中,风机的转速迅速上升,约0.4 s时风机即能达到1 500 r/m的额定转速。通过对图4的分析可知:在起动过程中,起动电流峰值达到500 A以上(瞬间超过700 A),超过电机额定电流的10倍,且远超出“额定电流3倍以下”的要求,因此有必要采用风机软起动方式,以减少其起动电流。

2.3.2 风机软起动模型

通过对风机直接起动仿真结果可知,由于风机起动电流过大,不能满足工程要求,故对其进行软起动仿真分析。风机软起动模型是在图2的基础上增加了6脉冲发生器来驱动晶闸管软起动器,其余的仿真参数与直接起动模型一致。在软起动方式下,风机的起动电流将被限制在额定电流的3倍以下(165 A左右),仿真模型见图5,图中,触发端的触发导通角α=134°。风机软起动3 s后,风机已接近额定转速,此时将软起动器旁路,风机直接接入电网,风机进入额定运行状态。风机软起动方式下的转速曲线及起动电流曲线如图6、图7所示,图7显示,在3 s时刻,由于风机接入电网时,开关合闸动作的瞬间会产生短暂的冲击电流,在工程实践中可采取其他措施来减少该冲击。

2.3.3 风机软起动仿真的谐波分析

本文利用Simulink中的Powergui工具对风机软起动进行仿真,风机软起动仿真电流输出如图8所示。由图8可看出,由于晶闸管软起动器的作用,使电流输出的正弦波形发生了畸变。

通过对图8中风机软起动仿真电流波形进行FFT分析,可得各谐波含量如表1所示。由表1可知,在风机软起动时产生的5次谐波含量最高,达到17.56%,其次是7次、11次及13次谐波等。根据电力电子学相关理论可知,6脉冲晶闸管电路将产生6k+1(k为正整数)次谐波,仿真结果与6脉冲晶闸管电路产生的主要谐波次数是一致的。

2.3.4 谐波对隧道供电系统的危害

隧道内风机软起动虽然减少了风机起动电流,解决了起动电流过大对电网的冲击,但软起动器产生的谐波将降低了电网电能质量,将对电网及电力设备产生如下不良影响:

(1)隧道内供电系统的配电变压器、电缆等设备会因谐波而产生较大的电能损耗。

(2)用于无功补偿的电力电容器会因谐波电流而增大绝缘介质的损耗,加速电容器老化。

(3)保护装置会因谐波引起的谐振而误动。

(4)起动电流中的谐波含量超标。由仿真分析结果知,风机软起动时的5次谐波含量达到17.56%,由于5次谐波产生反转磁场,对风机产生反转力矩,严重时甚至使之处于“爬行”状态,降低了风机的效率,使之达不到额定转速。

3 治理措施

为了减少隧道内风机软起动时造成的谐波危害,目前某在建高速公路建设方采用了分散补偿的措施,即:(1)在配电变压器低压侧(0.38 k V)母线上安装有源电力滤波装置(APF),以实现滤除多次谐波和容性无功补偿。有源电力滤波装置的容量按配电变压器容量的30%配置,具体数值可由谐波叠加的均方根公式计算得到;(2)多台风机软起动产生的同次谐波叠加后的最大谐波含量数值不大于其中某1台风机产生的最大谐波含量值,也就是说,若将某台配电变压器供电区域内的风机组群视为1台等效风机,该风机群软起动时的谐波最大含量不会超过17.56%,因此,按上述配置APF,可以满足风机软起动时对谐波电流进行补偿的要求。通过matlab软件对增配有源电力滤波器的风机软起动进行仿真,可基本消除谐波的影响,改善风机软起动的效果[12]。通过APF处理后,风机软起动仿真电流输出的各次谐波含量如表2所示,其谐波含量满足公用电网谐波标准[13]。

4 结语

由于我国交通工程隧道建设过程中大量采用风机软起动器,其产生的谐波严重影响了电网的电能质量,利用Matlab的Simulink工具对其进行简要的仿真后,发现有部分谐波含量较高。由于交通项目建设中大部分电机均采用软起动器,因此,对于接入电网的较大负荷利用有效手段进行了谐波分析,并针对存在的问题提出了处理措施,仿真验证了该措施可保障公用电网的电能质量。

摘要：介绍了基于MATLAB的simulink工具箱仿真三相异步风机晶闸管软起动电路,分析了交通工程项目建设过程中隧道内风机软起动时产生的谐波电流含量及其对电网和设备造成的影响,并有针对性地提出了合理的治理方案,可供电力系统和相关用户参考。