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如何高效进行电力系统谐波治理

返回列表来源:领步电能质量发布时间:2018-08-31加入收藏关注:-

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          电能质量的好坏,直接影响到工业产品的质量,评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面,它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等;其次是频率波动;最后是电压的波形质量,即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率,也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。
          随着科学技术的发展,随着工业生产水平和人民生活水平的提高,非线性用电设备在电网中大量投运,造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗,而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行,造成了这些装置的误动与拒动,直接威胁电网的安全运行。举个常见的例子来说,电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行,的确比常用的白炽灯好,不仅亮度高又省电,而且使用寿命也长。但是相反,在大量投运节能灯后,就会发现节能灯的损坏率大大提高。这是由于节能灯是非线性负荷,它产生较大的谐波污染了这一片电网,造成三相负荷基本平衡情况下,中心线电流居高不下,线电压与相电压之比要小很多,造成了该片电网供电质量下降,用电设备发热增加,电网线损增加,使得该区的配变发热严重,严重影响其使用寿命。因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理,使谐波分量不超过国家标准。


谐波来源
          电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来自和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波,因此发电机发生的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类:隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机,凸极机多用于水轮发电机。
          对于谐波分量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技进步,可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入,使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时,由于电机的磁饱和,会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时,也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压便宜在±7%以下,所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小,比国家的考核标准低的多,因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。
          为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备,也就是说非线性用电设备是主要的谐波源,非线性用电设备主要有以下四大类:
电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。
•交流整流的直流用电设备:如电力机车、电解、电镀等。
•交流整流再逆变用电设备:如变频调速、变频空调等。
•开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
          这些用电设备都是非线性用电设备,但它们产生的谐波各不相同,具体举例分析如下:
          电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。
          此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波,造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少,电焊机应用的同时率就更小了,对整个电网的影响比较小,但发现在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很大,有较大的谐波影响。
          交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较低。
          交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。
          虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。
          开关电源设备应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。此外,开关电源的频率比较高一般在40KHz左右,不仅在整流时产生谐波,而且在开关管开闭时,反射40KHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大,但它是应用面最大、量最大的非线性用电设备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会通过配变污染到10KV电网。


谐波危害
          电力设备运行中的问题和故障,谐波治理通常都是由于电网电气参数波动或瞬间干扰所引起的,如:电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡、功率因数过低、缺相运行等。
          长期以来,这些导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费的情况受到用户和供电部门的广泛关注。
1、干扰通讯设备、计算机系统等电子设备的正常工作,造成数据丢失或死机。
2、影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能,造成噪声干扰和图像紊乱。
3、引起电气自动装置误动作,甚至发生严重事故。
4、使电气设备过热,振动和噪声加大,加速绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。
5、造成灯光亮度的波动(闪变),影响工作效益。
6、导致供电系统功率损耗增加。


谐波治理方法

          无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来,组成LC串联回路,并联于系统中,LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上,例如5次、7次、11次谐振点上,达到滤除这3次谐波的目的。其成本低,但滤波效果不太好,如果谐振频率设定得不好,会与系统产生谐振。市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种,主要是因为低成本,用户容易接受。虽滤波的效果较差,只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本,市场的需求也就大,一般而言,低压0.4KV系统大多数采用有源滤波方式,高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的,业主对谐波的危害认识不足,一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波,而有的企业由于谐波的含量太大,常规的无功补偿不能奏效,供电部门对无功的要求又是十分严格的,达不到就要罚款。因此,业主不得不要求滤波。因而,其市场的前景可观,经济效益也就可观了。


          有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的,它的滤波效果好,在其额定的无功功率范围内,滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路,使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度,但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压,额定电流的发展限制,成本极高,其制作也较之无源滤波装置复杂得多,成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统,尤其是写字楼的供电系统,工厂的计算机控制供电系统。对单台的装置而言,其利润是可观的,但用户一般不愿意用有源滤波,对于谐波的含量,不必滤得太干净,只要不危害其他电器也就可以了。


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