電網(wǎng)諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一
電能作為一種重要的能源,其質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及各類(lèi)用電設(shè)備的正常工作。理想的電能應(yīng)是頻率穩(wěn)定、電壓幅值恒定且波形為正弦波的交流電。然而,在實(shí)際的電力系統(tǒng)中,由于各種因素的影響,電能質(zhì)量往往會(huì)出現(xiàn)偏差,其中電網(wǎng)諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一。諧波的存在會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)、噪聲增加,甚至損壞設(shè)備,同時(shí)還會(huì)影響電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置以及通信系統(tǒng)等的正常工作。因此,深入研究電網(wǎng)諧波問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
電能質(zhì)量是指電力系統(tǒng)中電能的優(yōu)劣程度,其衡量指標(biāo)包括電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相電壓不平衡度等。其中,電壓偏差是指實(shí)際電壓與額定電壓的差值,它會(huì)影響用電設(shè)備的輸出功率和使用壽命;頻率偏差主要由電力系統(tǒng)的有功功率不平衡引起,會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響;電壓波動(dòng)和閃變是指電壓的快速變化,會(huì)導(dǎo)致照明燈光閃爍,影響人的視覺(jué)感受;三相電壓不平衡度則是指三相電壓的幅值或相位不相等,會(huì)使三相用電設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和振動(dòng)。而諧波作為電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一,對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的影響尤為顯著。
諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量。在電力系統(tǒng)中,基波頻率通常為 50Hz,因此,諧波頻率是 50Hz 的整數(shù)倍。例如,二次諧波頻率為 100Hz,三次諧波頻率為 150Hz 等。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在諧波時(shí),電壓和電流的波形將發(fā)生畸變,不再是理想的正弦波。
發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中,由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng),鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致,以及其他一些原因,會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。但一般情況下,發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波含量相對(duì)較少,對(duì)電網(wǎng)的影響較小。
在輸配電系統(tǒng)中,電力變壓器是產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備之一。由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線呈現(xiàn)非線性,加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性,其工作磁密通常選擇在磁化曲線的近飽和段上,這就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。諧波電流的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn),諧波電流也就越大,其中 3 次諧波電流可達(dá)額定電流的 0.5%。此外,輸電線路的分布參數(shù)也可能導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生和傳播。
這是電網(wǎng)中諧波的主要來(lái)源。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種非線性用電設(shè)備在工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛。例如:
晶閘管整流設(shè)備:晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,其中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流,其中 3 次諧波的含量可達(dá)基波的 30%;接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋 6 脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有 5 次及以上奇次諧波電流;如果是 12 脈沖整流器,也還有 11 次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明,由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近 40%。
變頻裝置:常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中,由于采用了相位控制,諧波成份很復(fù)雜,除含有整數(shù)次諧波外,還含有分?jǐn)?shù)次諧波。這類(lèi)裝置的功率一般較大,隨著變頻調(diào)速的發(fā)展,對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也越來(lái)越多。
電弧爐、電石爐:在加熱原料時(shí),電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩(wěn)定,引起三相負(fù)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 次、7 次諧波,平均可達(dá)基波的 8%、20%,最大可達(dá) 45%。
氣體放電類(lèi)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(lèi)電光源。這類(lèi)電光源的伏安特性具有嚴(yán)重的非線性,有的還含有負(fù)的伏安特性,它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
家用電器:電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等,因具有調(diào)壓整流裝置,會(huì)產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)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(lái)源之一。
變壓器:諧波電流流經(jīng)變壓器時(shí),會(huì)顯著增加鐵芯損耗和繞組銅損,導(dǎo)致變壓器過(guò)熱,效率降低,進(jìn)而縮短其使用壽命。此外,諧波還可能引起變壓器的振動(dòng)和噪聲增大。
電動(dòng)機(jī):諧波電流通過(guò)交流電動(dòng)機(jī)時(shí),不僅使電動(dòng)機(jī)鐵芯損耗增大,還會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子振動(dòng),導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)出力降低,轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定,對(duì)機(jī)械加工產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。同時(shí),諧波還會(huì)使電動(dòng)機(jī)的絕緣加速老化,增加故障發(fā)生的概率。
電容器:電容器對(duì)高次諧波的阻抗非常小,當(dāng)含有高次諧波的電壓施加在電容器兩端時(shí),電容器很容易過(guò)負(fù)荷而損壞。此外,諧波還可能與電容器和系統(tǒng)電感發(fā)生諧振,產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流,進(jìn)一步危及電容器和其他設(shè)備的安全。
增加線路損耗:諧波電流會(huì)導(dǎo)致電力線路的電能損耗增加。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),線路電阻隨頻率的增加而增大,使得諧波電流在輸電線路上產(chǎn)生額外的功率損耗。
影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的正常工作:諧波可能引起電力系統(tǒng)的電壓諧振,產(chǎn)生過(guò)電壓,有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。當(dāng)大量的 3 次諧波流過(guò)中性線時(shí),線路可能過(guò)熱,甚至引發(fā)火災(zāi)。此外,諧波還會(huì)使系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置發(fā)生誤動(dòng)作,導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表的計(jì)量不準(zhǔn)確,影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
干擾通信系統(tǒng):諧波產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)干擾會(huì)影響電子儀表和通訊系統(tǒng)的正常工作,降低通訊質(zhì)量。例如,諧波可能導(dǎo)致通信線路中出現(xiàn)噪聲,使信號(hào)傳輸失真,甚至丟失信息,影響通信系統(tǒng)的可靠性。
電力部門(mén)應(yīng)制定嚴(yán)格的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,對(duì)用戶(hù)接入電網(wǎng)的諧波水平進(jìn)行限制和監(jiān)測(cè)。要求用戶(hù)安裝諧波監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)諧波電流和電壓,并定期向電力部門(mén)報(bào)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。對(duì)于諧波超標(biāo)的用戶(hù),采取相應(yīng)的處罰措施,促使其進(jìn)行諧波治理。同時(shí),電力部門(mén)還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì),合理安排電力設(shè)備的布局,減少諧波在電網(wǎng)中的傳播和影響。
無(wú)源濾波器是一種常用的諧波治理裝置,它由電容器、電抗器和電阻器組成,通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式連接到電網(wǎng)中。無(wú)源濾波器利用電感、電容等元件的諧振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。無(wú)源濾波器具有成本低、技術(shù)成熟、補(bǔ)償無(wú)功等優(yōu)點(diǎn),但其濾波效果受電網(wǎng)參數(shù)變化的影響較大,且容易與電網(wǎng)發(fā)生諧振。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,需要根據(jù)電網(wǎng)的具體情況進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和選型,以確保其濾波效果和安全性。
有源濾波器是在無(wú)源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,它通過(guò)電力電子裝置產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)諧波同頻率、同幅度但相位相反的諧波電流,與系統(tǒng)中的諧波電流相互抵消,從而達(dá)到消除諧波的目的。有源濾波器具有濾波效果好、響應(yīng)速度快、能自動(dòng)跟蹤諧波變化等優(yōu)點(diǎn),但其成本較高,技術(shù)復(fù)雜,對(duì)裝置的可靠性和穩(wěn)定性要求也較高。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,有源濾波器的性能和可靠性得到了顯著提高,其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。
從源頭上減少諧波的產(chǎn)生是治理諧波的根本措施之一。對(duì)于一些產(chǎn)生諧波較大的用電設(shè)備,如晶閘管整流裝置、變頻裝置等,可以通過(guò)改進(jìn)設(shè)備的控制策略和電路結(jié)構(gòu),采用新型的電力電子器件,提高設(shè)備的功率因數(shù),減少諧波的產(chǎn)生。例如,采用 12 脈沖或 24 脈沖整流器代替 6 脈沖整流器,可以有效降低整流裝置產(chǎn)生的諧波含量;在變頻裝置中采用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù),可以改善輸出電壓和電流的波形,減少諧波成分。
電網(wǎng)諧波作為影響電能質(zhì)量的重要因素,給電力系統(tǒng)和用電設(shè)備帶來(lái)了諸多危害。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和非線性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用,諧波問(wèn)題將日益突出。因此,加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)諧波的研究和治理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過(guò)分析諧波產(chǎn)生的原因,我們可以采取針對(duì)性的措施,如加強(qiáng)諧波管理、采用無(wú)源濾波器和有源濾波器、改善用電設(shè)備的性能等,來(lái)降低諧波對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的影響,提高電能質(zhì)量,保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在未來(lái)的電力發(fā)展中,應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)諧波治理技術(shù)的研發(fā)投入,不斷探索新的治理方法和手段,以適應(yīng)日益復(fù)雜的電力系統(tǒng)環(huán)境。