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时间:2020-07-03 06:33  编辑:龙陵公园

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电力高次谐波及其治理

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

10

35

3.0

2.4

1.2

66

110

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,A

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0.38

10

78

62

39

62

26

44

19

21

16

28

13

24

6

100

43

34

21

34

14

24

11

11

8.5

16

7.1

13

10

100

26

20

13

20

8.5

15

6.4

6.8

5.1

9.3

4.3

7.9

35

250

15

12

7.7

12

5.1

8.8

3.8

4.1

3.1

5.6

2.6

4.7

66

500

16

13

8.1

13

5.4

9.3

4.1

4.3

3.3

5.9

2.7

5.0

110

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

14

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

6

100

6.1

6.8

5.3

10

4.7

9.0

4.3

4.9

3.9

7.4

3.6

6.8

10

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

66

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

110

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3

h

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4

n

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(简称SVC)。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(SR);2.晶闸管控制电抗器(TCR);3.晶闸管控制高漏抗变压器(TCT);4.晶闸管投切电容器(TCS)。

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(TCS)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(TCR)动态谐波滤波装置(一般所说的SVC)性能,其对谐波的吸收效果优于晶闸管控制电抗器(TCR)动态谐波滤波装置。

5.6有源电力滤波器(APF)

有源电力滤波器(APF)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(APF)产品功率较小,价格较高,尚未大量使用。

有源电力滤波器(APF)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。

d、提供滤波装置成套设备,并进行设备安装或安装指导。

e、滤波装置现场调谐试验。

f、现场装置的指标考核。

。

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