电网谐波的危害及抑制技术

1、1 概要现在电网容量迅速增长，电网运行电压也不断提高，国外输电设备已达到1000kV，我国从80年代开始进入大电网时期，输变设备电压已达500kV。最近，开始西北地区黄河上游水电深度开发，国家电力公司已批准第条750kV输电线路。随着工业、农业和人民生活水平不断提高，除了需要电能成倍增长，也要求高的供电质量及高的供电可靠性，即：电力质量(Power Quality)正在更加受到人们重视。例如：工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，则会带来巨大经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机

2、、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人民正常生活。但是，正是这些用电负载：电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等，因为它们大都是非线性负载，都是产生谐波的源，且将这些谐波电流注入公用电网，污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变、谐波成分增加。近几年高技术迅速发展，如传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术篷勃发展，这些技术的口臻成熟；集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，但是体积却愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器发展。随着微电子技术集成度提高，微电子器件工作电压变得更低

3、，耐压水平也更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，70年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更加十分突出，一些功能正常的计算机常常令人莫名其妙的误动作，而无法找出原因。1966年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入100V200V脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰人们正常生活，干扰设备正常运行，重者致使工业上的大型生产线、飞机场瘫痪，会造成严重经济损失。目前，国际电工委员会(IEC)已于1988年开始

4、对谐波限定提出了明确要求。美国”IEEE电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准IEEE-1000，在IEEE Std.519-1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数(THD)应在5以下，面对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于3。2 电网谐波的产生2.1 电源本身谐波这是由于发电机制造工艺问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然几个这样电源并网时，总电源的电流也偏离正弦波。2.2 由非线性负载所致非线性负载谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载

5、上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。主要非线性负载装置(1)开关电源的高次谐波开关电源的框图如图1，它由五部分组成：一次整流、开关振荡叫路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全样。图1 开关电源框图 图2 电容输入型电源的输入电流波形  一次整流回路噪声。这是电容输入型线路，整流脉动电压要超过C1上的充电电压，电流才从电源输入，电流波形呈脉冲形(图2)，对这种脉冲状电流波进行付里叶展开后，可以看到：除了50Hz基波分量外，另外还有100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz等高次谐波，这些高次

6、谐波电流全部返回到公用电网中，造成公用电网的波形偏离50Hz。开关振荡回路。开关三极管T1一般以20kHz以上频率频繁通断，致使电路产生高次谐波。其次L1、L2初级线圈间有漏感，在T1动作时也会形成噪声。二次整流回路噪声。首先高次谐波流过L2D5L4C2产生噪声；电流突变过程中在L2、L4上的反电动势也会形成噪声。控制回路噪声。在完成控制过程也会产生噪声。这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。(2)变压器空载合闸涌流产生谐波变压器空载合闸时，可以列出下面方程： 求解后得到：1=-mcos(t+)+ mcos    

7、    (1)mcos(t+) 磁通的稳态分量mcos 磁通的暂态分量如果合闸时，=0(既在u1=0 的瞬间合闸)得到：1=m-mcost (2)在合闸后半周期()时,磁通达到最大值1=1max=2m,如图3 图3 C0,铁芯中磁通波形 图4 投切电容器产生瞬态干扰影响示意图铁芯中磁通波形对时间轴不对称，考虑剩磁0，则磁通波形再向是移0，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生815倍额定电流的涌流，由于线圈电阻R1的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成分以3次谐波为主。(3)单

8、向电容器组开断时的瞬态过电压干扰如果t=0时，CB触头刚分开，弧电压很低略去，因此电源电压u与电容电压相等，即u=uc。t=t1时，电流过零，电弧熄灭，而电源电压仍然按正弦变化，经过半周到达正向最大，但是电容电压uc =-Um不再变化。断路器CB触头间电压uj=u-uc=2um。在t=t2时，如果此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为Um直流电源经电感L突然加到电压为-Um的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频电流： 电容器上电压为： 因此高频电流ic经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电压uc =3Um最大值，如果此时电弧被熄灭，则uc将保持3Um不变。t=t3时

9、刻，uj=4Um,此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到5Um值。实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大，当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过电压倍数不会达到3倍。(上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后10ms，因此恢复电压达到最大值)。如图4，用普通断路器投切电容器C1时(C1处于20kV线路)，产生1.8(p.u)过电压，导致谐振，谐振却又在C2处(C2处于6kV线路)产生高于4(p.u)过电压。电力电子调速系统是普遍应用于工业中用于改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调

10、速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味调速系统误跳闸事故会经常发生。(4)电压互感器铁磁谐振过电压在我国10kV、35kV等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。在正常情况下，三相对地电平是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感L和系统对地电容C的在参数上配合，而产生谐振过电压。为了分析，我们先看一下图5，它是典型的L、C并联电路。图中xc=，xL=L,xc是线性参数，但是xL是非线性参数，其大小与铁芯饱和度有关，如果发生xc=xL,则发生并联谐振，产生较高的谐振过电

11、压。 图5 三相五柱电压互感器 图6 电源变压器分开(5)整流器和逆变器产生的谐波电压、电流整流器的作用是将交流电转变成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域，大功率整流器一逆变器广泛应用于交流变频调速及交一直流电动机的调速等领域。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大，因此只允许电流单方向流动。从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用付氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波(50Hz基波)外，还叠加了一系列高次波形一谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，除可以高水平完成调速

12、外，也可以节省大量电能(近30)，但如前分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一是通过电容耦合；其二是通过高次谐波电流产生的电磁感应；其三是直接由接地回路或电源线窜入的。6)电弧炉运行引起电压波动随着冶炼工业发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重负荷，运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此冶炼过程是频

13、繁的短路一开路一短路，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是0.1Hz几十Hz，这种谐波是以3次谐波为主。3 谐波的危害1)污染公用电网如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备(电视机、计算机等)无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。2)影响变压器工作谐波电流，特别3次(及其倍数)谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Y形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。3)影响继电保护的可靠性如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时若谐波干

14、扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。4)加速金属化膜电容器老化在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，那末在谐波的长期作用下金属化膜电容器会加速老化(见表1)。表1 谐波作用影响金属化膜电容器的寿命谐波次数（n）峰值系数（）寿命=0º（min）3次1/3365.5±2.51/5392.5±2.55次1/3238.5±1.51/5224±45)增加输电线路功耗如果电网中含有高次谐波电流，那么由于趋肤效应，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大1

15、020倍，而感抗仅为其1/31/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。6)增加旋转电机的损耗国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。7)影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作例如直流输电中，直流换流站换相时会产生310kHz高频噪声,它会干扰电力载波通信的正常工作。4 谐波抑制技术4.1 为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给与较大贮备量，一般选取0.51倍余量。4.2 因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线窜入，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与

16、测控装置采用不同相线供电，见图6。图7 配电箱分开供电 图8 滤波单元4.3 将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开，见图7。因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源隔离了，可以大大减少通过电源线的干扰。4.4 其余抑制高次谐波技术 开关电源干扰的抑制技术一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。采用电源滤波器。如图8，其中c1、c2具有抑止串模干扰，L1、L2可以抑制共模干扰，而c4、c3可以抑制串共模干扰。电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以

17、阻止开关电源的干扰进入电网。屏蔽技术 它可以有效地防止向外辐射干扰。减少开关电源本身干扰。它是利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生较大电势阻止反问电流上升。 变压器空载合闸涌流抑止方法从方程(1)，如果合闸时，=(即c1=u1m便合闸),则: 没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。 抑止单相电容器组开断瞬态过电压方法如果采用选相断路器投切电容器c1，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接

18、在母线上的其余设备也可不受过电压干扰影响。 抑止电压互感器铁磁谐振方法其方法是要使它脱离谐振区，图9示出了电压互感器的伏安特性U=f(IL)，系统对地电容的伏安特性U=f(Ic)和合成伏安特性U=f(IL-Ic)，在oa区间，合成电流呈容性，合成电流随电压上升而增加，在ab区间，铁芯饱和导致电抗减少(电感电流非线性急剧增长)，最后使合成电流仍为容性，合成电流随电压上升而减少，所以ab区间是不稳定区间，在b点合成电流为零，这时XL=Xc(Ic=IL)，发生并联谐振。采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振：图9 电压互感器伏安特性 图10 重新安排供电系 抑止整流和逆变产生的谐波1)在变频器前加装电源滤波器，一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只680F，250VAC的电容(一只接在LN，一只Lgrond，只Ngrond)，这种方法可使电磁干扰电流降至原来的1/10，效果较明显。2)变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在该接变频