供电系统中谐波的产生及抑制.doc
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1、供电系统中谐波的产生及抑制摘要本文主要介绍了供电系统中谐波的产生原因和它的危害,及抑制谐波的一般对策。 关键词电网 谐波 危害 抑制措施 发展 标准 引言 近年来,产生谐波的设备类型及数量均已日剧增,并将继续增长。本文主要介绍谐波产生的原因和它的危害,以及抑制供电系统谐波的一般对策。 一、概述 在理想情况下,优质的电力供应应该提供有正弦波的电压。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之一是一些谐波为基波频率(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。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
2、压,电流波形畸变,使电力变坏。谐波还会引起电气设备附加损耗和发热,缩短使用寿命,甚至损坏。谐波注入电网后使无功加大,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。因此,谐波是电力质量的重要指标之一。所以谐波问题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谐波的工作,必须采取有力的措施,抑制并防止电网因谐波危害所造成的严重后果。 二、什么是谐波?供电系统的谐波是怎么定义的? “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪奠定了良好的基础。傅利叶等提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题
3、早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945 J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了有变流电力系统、工业、交流及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅利叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波
4、频率的分量,这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量,使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制。 三、谐波的产生 在理想的干净供电系统中,电流和电压都是正弦波的。再致函线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里,流过的电流与施加的电压成正比,流过的电流是正弦波。 在实际的供电系统中,由于有线性非负荷的存在,当电流流过与所加电压不成线性关系的负荷时,就形成非正弦波电流。任何周期顶波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正
5、弦波。谐波频率是基频的整数倍,例如基频为50Hz,二次谐波为100Hz,三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波可能直到第三十次谐波组成。 供电网谐波来自三方面: 1发电源质量不高产生的谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝缘对称,铁心也很难做到绝对平均抑制和其他一些原因,发电源多少也会产生一些谐波,但一般很少。 2输配电系统产生谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁芯的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器是考虑经济性,其工作磁密度选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电力城尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程
6、度有关。铁芯的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大,其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。 3用电设备产生的谐波 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源大等许多方面得到了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。我们知道,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单向整流电路,在接感性负载时则含有奇次谐波电流,其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值得增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流
7、器,变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器,也有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:有整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%,这是最大的谐波源。变频装置:变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成分很复杂,除含有整数次谐波外,还含有份数次谐波,这类装置的功率他、一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、电石炉:由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高地不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷比平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波,平均可达基波的8%、20%,最大可达
8、45%。 气体放电光源:荧光灯、高压汞灯、高压纳灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分与测量也累电源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏安特性,他们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器:电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有跳崖整流装置,会生产较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调等有绕组的设备中,因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小,但数量巨大,也是谐波的主要来源之一。 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。 四、谐波的危害 以前由于接入供电系统的非线性设备较小,绑在
9、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。随着电子技术的飞速发展人们的生活水平日益提高,使用大功率半导体开关器件以及此类开关电源的产品,如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉,信息技术设备等虽属涌入居民家庭,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造成谐波问题特别突出,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
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