谐波在供配电系统中产生的原因及抑制

一、概述

在理想的情况下,优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形,即产生谐波。我们所说的供电系 统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量,又称为高次谐波。在供电系统中,产生谐波的根本原因是 由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,使 电力质量变坏。因此,谐波是电力质量的重要指标之一。

谐波的危害表现为引起电气没备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热:使同步发电机的额定输出功率降低,转矩降低,变压器温度升高,效率降低,绝缘加速老化,缩短使用寿命,甚至能降低继电保护、控制、以及检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后会使无功功率加大,功率因数降低,甚至有可能引发并联或串联谐振,损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。

供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注,为保证供电系统中所有的电气,电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作,必须采取有力的措施,抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

二、谐波产生的原因

在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在发电环节,当对发电机的结构和接线采取一些措施后,可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。

在其他几个环节中,谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备:(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器、电抗器等;(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等;(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等,它们大量的用于化工、电气铁道,冶金,矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流,也就是说,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压, 但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性,使得流过电网的电流是非正弦波形的,这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成,即产生了谐波,使电网电压严重失真,此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

接入低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。所谓稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化,如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波,这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化,称之为波动的谐波, 这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。

随着电力电子设备使用的不断增加,同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅,所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

三、谐波的危害

以前由于接入供电系统的非线性设备较小,供电系统中引起的谐波电流也很小,所以对电力质量的影响不大。随着电子技术的发展,使用大功率半导体开关器件 以及各类开关电源的产品,如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉,信息技术设备等迅速涌入居民家庭,虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大, 但这些设备数量大、分布广。有些家用电器如电视机、空调器等在使用时具有集中的特点,在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出,这不但使接入该电网的设备无法正常工作,甚至造成故障,而且还会使供电系统中性线承受的电流超载,影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。

供电系统中的谐波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数倍,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.影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。

3.使测量和计量仪器的指示和计量不准确。

4.干扰通信系统的工作。

5.对用电设备亦有影响。

四、抑制供电系统谐波的一般对策

谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题,它不但与供电部门有关,而且还关系到广大电力用户和电器设备制造厂的切身利益。为减少供电系统的谐波问题,一般从管理上和技术措施上采取以下几方面的对策:

1.贯彻执行有关谐波的国家标准,加强谐波管理。

2.增加换流装置的相数。

3.增装动态无功补偿装置,提高供电系统承受谐波的能力。

4.加装滤波装置(包括无源滤波和有源滤波装置)。

总之,一方面要严格限制谐波的发射水平。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力,改善谐波保护性能,以做到真正意义上的电磁兼容。