电能质量的整体解决方案-供配电系统中的谐波污染及对策

1、谐波对供配电系统的影响及其对策北京江海胜业电力科技有限公司李军二九年三月李军：李军（胜业集团）北京江海胜业电力科技有限公司（胜业集团）北京江海胜业电力科技有限公司 总工程师（高级工程师）总工程师（高级工程师）中国电工技术学会无功补偿和滤波装置技术专家学中国电工技术学会无功补偿和滤波装置技术专家学组委员组委员中国电力电容器标准化委员会委员中国电力电容器标准化委员会委员1982年毕业于西安交通大学年毕业于西安交通大学长期从事无功元器件（电容器、电抗器等）的材料、长期从事无功元器件（电容器、电抗器等）的材料、制作工艺的研发以及无功补偿、滤波装置在供、配制作工艺的研发以及无功

2、补偿、滤波装置在供、配电系统中的推广、应用工作电系统中的推广、应用工作 自我介绍自我介绍0. 前言：问题的提出（一） 随着我国现代工业化进程的加快，新型的电力电子装置（绝大多数是非线性负载），尤其是功率转换（整流、逆变）设备的广泛应用，以及电力电容器组在电力系统的大量使用，使得电网中的谐波分量急剧增加，从而造成了电能质量的劣化；0. 前言：问题的提出（二） 频繁发生的设备故障和供、配电系统的异常现象，已危及到工业企业的安全生产和电力部门（供、配电系统）的有效运营； 现有无功补偿设备不能正常工作（或损坏）的主要原因也是由于谐波的影响； 当前，电网中的“谐波污染”问题日趋严重， 也引起相关部门及人

3、员的关注，已经到了必需解决的时候了！1. 谐波的概念（一） 什么是谐波？ 谐波是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解后，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量成为谐波。谐波频率与基波频率的比值称之为谐波次数。 谐波频率是主电网（系统）工作频率的倍数。 不是主电网频率整数倍的谐波称之为分数谐波。1. 谐波的产生（一） 谐波是如何产生的？ 由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备，如：功率转换器等，较大地偏离正弦曲线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。功率转换器的脉冲数越高，最低次谐波次数的频率的次数就越

4、高。1. 谐波的产生（二） 谐波是在什么地方产生的？ 谐波主要有谐波电流源产生： 当正弦基波电压施加于非线性设备时（或称非线性电力负荷），设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成为电力系统的谐波源。1. 谐波的产生（三） 产生谐波的设备装置及分类 电力系统中主要的谐波源可分为两类：.含有半导体非线性元件的设备；.含电弧和铁磁的非线性设备； 例如：照明控制系统（亮度调节）； 整（变换）流器； 变频器； 开关电源（计算机、电视机）； 电动机调速设备； 自感饱和铁芯； 不间断电源（UPS）； 机床；电子控制机构； 电焊设备； 电

5、弧炉； 变压器；1. 谐波的产生（四）谐波源的种类：电力电子装置：是目前电网中最严重的谐波源，并有单项和多相之分。 整流电源装置 ； 逆变电源装置； 交流调压装置；1. 变频装置；1. 谐波的产生（五） 谐波源的种类：2.电弧炉： 一般交流电弧炉主要用于钢铁冶炼； 直流电弧炉（整流馈电-电力电子）； 铁合金矿石炉； 电石炉（矿热炉）；1. 谐波的产生（六） 谐波源的种类：3.家用电器： 日光灯、调光灯、家用充电器； 电视机； 电冰箱； 空调机； 调速风扇；1. 谐波的产生（七） 谐波源的种类：4.高新技术应用的多种设备：电子计算机；传真机；敏感电子器件；功调器；激光切割设备；核磁共振设备；卫星

6、传送器；节能灯（高压钠、汞灯及其它气体放电灯）；2. 谐波的影响(危害）（一） 在当前的公用电网中，谐波污染与电磁干扰、功率因数降低等已被并列为电力系统的三大公害。 由谐波引发的故障：非线性用电设备电流谐波电流谐波电压谐波2. 谐波的影响(危害）（二）随着科学技术的不断进步、发展，非线性负荷的种类、数量和比重都在迅速的增加，谐波对电力系统的“污染”日趋严重，其对各种电气设备，都具有不同程度的影响和危害。2. 谐波的影响(危害）（三）对供配电线路的危害对供配电线路的危害（1）影响线路的稳定运行）影响线路的稳定运行（2）影响电网的质量）影响电网的质量2. 谐波的影响(危害）（四）2.对电力设备的危

7、害对电力设备的危害 对电力电容器的危害；对电力电容器的危害； 对电力变压器的危害；对电力变压器的危害； 对电力电缆的危害；对电力电缆的危害； 对消弧线圈的影响；对消弧线圈的影响； 对断路器的影响；对断路器的影响； 对避雷器的影响；对避雷器的影响； 对换流装置的影响；对换流装置的影响； 对电压互感器的影响；对电压互感器的影响； 对电力熔断器的影响；对电力熔断器的影响；2. 谐波的影响(危害）（五） （4） 对用电设备的危害对用电设备的危害; 对电动机的危害对电动机的危害 对低压开关设备的危害对低压开关设备的危害 2. 谐波的影响(危害）（四）(5) 对弱电系统设备的干扰对弱电系统设备的干扰 谐波

8、对通讯的干扰影响；(6) 影响电力测量的准确性影响电力测量的准确性 谐波对常规电气测量仪表的影响； 谐波对继电保护和自动装置的影响；(7) 谐波对人体有影响谐波对人体有影响2. 谐波的影响(危害）（五）谐波对电力电容器的危害 在电力系统中，电容器比其它元器件和设备更容易受到谐波的危害而损坏，主要是因为它的容性阻抗特性以及阻抗和频率成反比的特性。2. 谐波的影响(危害）（六）容性阻抗：有可能和电网中大部分都是感性阻抗的电气设备构成（或接近）对某次谐波谐振的条件；阻抗和频率成反比： 容易吸收电网中的高次谐波电流，对某次谐波电流产生放大作用，进而造成流过系统以及电容器中电流的过载；2. 谐波的影响(

9、危害）（六） 谐波危害电容器的机理： 电效应； 热效应； 机械效应； 注意：各种效应的影响是可以相互叠加的。2. 谐波的影响(危害）（七） 电效应； 电力电容器（一般采用有机介质材料）的寿命同样遵循有机绝缘材料电老化的 一般规律： =KU-n式中：K常数； U电容器的端电压； n79; 由上式可以得出以下结论： 施加在电容器两端的工作电压每上升10%，其寿命将缩短1/2(一半)。2. 谐波的影响(危害）（八） 热效应 电力电容器（一般采用有机介质材料）的寿命同样 遵循有机绝缘材料热老化的一般规律： =KT-b式中：K常数； T电容器的工作温度； b7.7； 由上式可以得出以下结论： 电容器的工

10、作温度每上升8左右，其寿命将缩短1/2(一半)。2. 谐波的影响(危害）（九） 机械效应 在谐波电压的作用下，装在构架上的电容器的外壳与接线有可能产生机械力学上的共振。电容器内部的极板在交变库仑力与电动力的作用下，也要产生弹性振动。以上因素都会降低电容器局部放电电压，导致电容器早期损坏。3. 谐波电流的危害（一） 非线性功率用电设备产生谐波电流。 谐波电流导致谐波电压； 谐波电流使电容器及相关的元件过负荷； 易发生谐振，谐波电流被放大，导致更高的负荷，对电器元件带来致命的毁坏；4. 谐波电压的危害（一） 谐波电压叠加在基波（正弦50Hz）上： 使供电电压畸形； 电网电压零点漂移（致使过零点触发

11、的电子设备的运行被严重的干扰）； 继电保护误动作； 载波控制器接收到错误的信号，以致发出错误的指令；5. 谐波的治理（对策） （一） 为什么要对谐波进行治理？ 谐波治理的目的： 减少或消除注入系统的谐波电流； 把谐波电压控制在限定值以内； 防止、避免系统出现谐振； ? 为了防止或避免谐振现象的发生，对为了防止或避免谐振现象的发生，对系统进行无功功率补偿时，必须采用带系统进行无功功率补偿时，必须采用带电抗性的补偿系统。电抗性的补偿系统。5. 谐波的治理（对策） （二） 谐波治理的主要措施（方法）：1. -无源滤波器。 调谐式滤波器-用于吸收/清除系统中的主要谐波成分。 由电抗器、电容器及电阻器串

12、联组成的谐振电路，并将谐振频率调谐到系统中某一特定（主要）的谐波频率（如：150、250、350、550、650Hz）附近。5. 谐波的治理（对策） （三） 非调谐(失谐)式滤波器-用于抑制系统中谐波电流的放大。 由电抗器、电容器串联组成的谐振电路，并将谐振频率调谐到低于系统中某一特定的（或最低次）谐波频率，以避免（防止）谐振现象的发生，同时具有部分吸收谐波的作用。5. 谐波的治理（对策） （四）2. -有源滤波器。 主要用于在谐波源处吸收/消除谐波源产生的各次谐波电流。?因因无源滤波器、有源滤波器无源滤波器、有源滤波器具有具有不同的不同的优缺点，故而在工程上也经常将二者组优缺点，故而在工程上

13、也经常将二者组合起来使用，可得到最佳的滤波效果。合起来使用，可得到最佳的滤波效果。5. 谐波的治理（对策） （五）3.-减少谐波影响的其他措施 增加换流装置的脉动数（相数）； 加装交流滤波装置； 改变谐波源设备的配置及工作方式； 加装串联电抗器； 改变三相不平衡度； 5. 谐波的治理（对策） （六） 加装动态无功补偿装置； 增加系统承受谐波的能力； 避免电力电容器组对谐波的放大； 提高设备或装置抗谐波干扰的能 力，改善谐波保护性能； 6. 供配电系统中谐波的评估（一） 每一个供配电系统都类似于有着一个或几个自然频率的谐振电路，并且可能有一个或几个谐振点。所以，在拟对系统进行无功功率补偿之前，为

14、避免出现谐振现象，就必须对整个系统进行电能质量（谐波含量）的评估、分析，以确定采用什么性质的补偿方案（是否需要设置滤波支路、电抗率是多少等)。6. 供配电系统中谐波的评估（二） 评估的内容、方法、步骤：1.调查系统内是否存在谐波源？共有几处？2.根据供配电系统的电气配线图，确定谐波电流的走向；3.测量系统中各次谐波电压、谐波电流的分量及总含量；4.特别要提醒的是，在系统低负荷工作期间进行调查、测试是尤其重要的，将为精确的测试数据和准确的判断，提供可靠的依据。6. 供配电系统中谐波的评估（三） 供配电系统中的谐振频率fn ： fn=f0STr /(QcUK)1/2 式中： f0 ：电网的基波频率（50Hz）； STr：供电变