电力系统谐波及治理本科毕业论文

电力系统谐波及治理本科毕业论文（10篇）

1.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇一

低压系统谐波治理实例

摘要：该文针对某电缆厂400V低压无功补偿柜的情况，通过对负荷分析、现场测量和理论推算，确定故障的谐波原因，然后采用了造价相对较低和易于实现的无源滤波器LC串联滤波的方法，取得了一定的谐波治理效果。

关键词：低压；谐波；无源滤波器；LC串联滤波

中图分类号：TM712 文献标志码：B 文章编号： 1003-0867(2005)01-0006-02

随着工业经济的迅猛发展，大量的直流设备、变频调速设备及其它非线性负荷的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入了电网。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了系统功率因数；对电力网有很大的危害，它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电能表及其它微机装置。本文主要就某电缆厂400V供电系统谐波治理实例，对LC交流滤波器合理的选择进行理论计算和讨论。故障现象

该电缆厂400V供电系统由两台欧式箱式变电站组成，每台箱变的接线方案一致，但每台箱变出线所带负荷不一样。

两台欧式箱式变电站投运不久，1号箱变就发生了无功补偿柜中元器件损坏的情况。损坏的元器件主要是电容接触器和熔断器，烧毁最严重的是电容接触器。当时分析认为一种可能是电容接触器的桩头接线松动，接触电阻增加，桩头接线发热起火烧坏电容接触器，进而引起接触器上侧的熔断器烧毁；另一种可能性是熔断器对电容器投切瞬间产生的涌流未起到保护作用，致使接触器烧毁，产生的火苗接着损坏了熔断器。随后对烧坏的元器件进行了更换，对所有的接线桩头进行了检查，无功补偿柜整改后继续投入运行。

整改后的无功补偿柜使用不到一个月，再次出现了元器件损坏的情况。元器件损坏的位置、现象基本上和上次的情况一样。这是桩头接线松动无法解释的。原因分析 两次无功补偿柜的故障全部发生在1号箱变，而2号箱变安然无恙。对比分析1、2号箱式变电站的负荷可以发现，2号箱变的负载基本上为异步电动机和办公照明负载；而1号箱变所带负载中除了异步电动机还有三台直流电动机，其功率分别为185kW、55kW、30kW。此外，还有大量通过可控硅控温的加热设备。

在两次无功补偿柜发生故障时，该厂的交联电缆生产线都在运转，也就是直流电机和相当一部分的加热设备都挂在1号箱变的低压母线上。该厂的加热回路采用了三相半控桥式整流电路，同时用交流电源对直流电机供电少不了要用整流装置。由于整流装置输出波形的非正弦性，不同相数的整流电路会产生不同特征的谐波电流。如三相桥式的6相脉动整流电路产生的谐波电流主要为6k±1次(5、7、11、13次，等等)见表1。

表1 6相脉动整流装置电流谐波理论数据

谐波次数n 1 5 7 13 17 19 23 25 谐波电流/% 100 20 14.3 9.1 7.7 5.9 5.3 4.3 4.0 因此，交联电缆生产线在生产时可能对1号箱变400V系统产生了谐波。

根据对负荷性质分析和理论公式的推算，可以确定1号箱变400V系统中存在6k±1次为主的谐波电流。为了证实和明确1号箱变400V系统的谐波情况和参数，对1号、2号箱变进行了多次的对比测量。2号箱变总线电流波形和频谱图分析见图1，1 号箱变总线电流波形和频谱图分析见图2。

对比分析图1和图2，2号箱变总线电流波形为规则正弦波，频谱图分析也表明其电流基本只含基波50Hz电流；1号箱变总线电流波形为非正弦波，频谱图分析可以看出含有3、5、7、11次等谐波。电流总畸变率THDi为52.32%，功率因数0.8，系统阻抗R = 0.1W L = 0.1mH，系统短路容量10MVA。

1号箱变的无功补偿柜之所以数次出现电容接触器和熔断器损坏的情况，其原因就是交联电缆生产线产生的谐波电流被无功补偿柜的电容器放大产生了过电流，致使接触器和熔断器过热损坏。谐波治理

谐波电流不仅影响无功补偿柜的正常使用，致使无功功率电费支出增加，而且对同一箱变内的其它设备如电动机也产生了危害。根据GB/T 14549《电能质量—公用电网谐波》的要求，必须对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。

在电力系统抑制和治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。对于该电缆厂，由于供电系统的方案已定型，唯一可行和有效的方法是设置交流滤波器进行谐波治理，同时滤波器还能向系统提供所需的部分或全部无功。

交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高；在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显；但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果；且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。系统构成

LC滤波器根据其电容器与电抗器的联接方式不同，主要常用的有单调谐滤波器和高通滤波器。它们的结构和阻抗特性如图3、4所示。

该电缆厂的交联电缆生产线为以销定产的生产方式，即有确定的订单才进行生产。根据已有的生产统计，由于生产的电缆为35kV以上电压等级，每月开工两次左右，每次2~5天。从数次现场测量的结果分析，交联电缆生产线产生的谐波的次数固定，且每次谐波电流的畸变率(THDi)上下波动不大。

根据上述测量和分析的情况，决定对该电缆厂的谐波治理采用与母线并联的固定串联LC调谐滤波器，即当交联电缆生产线启动时，LC滤波器投入，当交联电缆生产线停工时，LC滤波器退出；滤波器的电容器容量用来补偿交联电缆生产线谐波源所需的无功功率，原无功补偿柜的电容器由300mF降至180mF以满足其它设备的无功补偿要求，同时控制器更换为带谐波闭锁功能的补偿控制器，以便谐波畸变率超限时切除电容器。对于3、5、7次谐波采用单调谐滤波器，对于9、11次以上的谐波采用以11次为主的高通滤波器。

串联调谐滤波器是用来滤除某一谐波的电容器，通过增加一个在调谐频率fn处XL = XC的电抗器来实现。对于调谐n次谐波的串联调谐滤波器的设计步骤为：

(1)确定电容器容量QC，电容器无功功率要与谐波源无功功率及系统已有无功补偿设备的无功功率进行平衡，无功补偿设备和滤波器总的无功功率略低于负载总无功功率。

(2)电容器的电抗为XC = kU2/QC。5 治理效果

计算结果选择元件构成的电缆厂谐波治理方案对1号箱变的谐波进行了治理。在随后的现场测量表明，1号箱变总电流的波形基本接近正弦波，电压畸变率THDu为2.8%,电流畸变率THDi为6.6%，功率因数保持在0.95左右。

在电缆厂的谐波治理方案中选用了造价相对较低和宜于实现的无源滤波器LC串联滤波的方法，对以直流电机和三相桥式的6相脉动整流装置产生的谐波电流取得了很好的抑制效果，特别是消除了谐波含量较高的5、7次谐波电流。

参考文献：

[1]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.[2]George M.Wakileh[奥地利].电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计.北京:机械工业出版社,2003.[3]陈志业.尹华丽.电能质量及其治理新技术[J].电网技术,2002(7)． [4]张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技术,2002(6).[5]GB/T 14549-1993.电能质量—公用电网谐波[S].请教：无功功率对电动机是无用的。正因为它无用，所以才补偿。是否符合逻辑？

尊敬的外行13：

首先感谢您对我提出的问题，进行详细的答复。我提出的观点有可能是幼稚可笑的，但是通过交流总可以提高认识的，反面教材的作用，有时比正面教材作用还要大。如果都与书中观点一样，就失去了论坛的意义。

您说：“ 无功功率对电动机是无用的。正因为它无用，所以才补偿。补偿就是消除无功功率，是消除不是转化，无功功率不能转化为有功功率。无功功率对作功没有作用，却占用变压器容量，而且无功电流通过电源内阻会增加损耗，所以有必要消除它。补偿原理：电感放电给电容充电，电容放电再给电感充电，如此反复，无功电流只在电感与电容之间出现，不会经过电网。..................................-----------------------对于您提出的观点，我有点不理解，请您再回答一次。

1、“正因为它无用，所以才补偿”。我可能是中国语法没有学好，我认为，有用才能补偿，无用的东西，补多少还是无用的，就像数字中的“零”，在小数点以后，增加多少个零也没有用。没有用还要补，是不符合中国逻辑的。

2、您说“补偿就是消除无功功率”.......。从字面看消除，就应当是减少，消除无功功率的有效方法是：增大纯电阻，减少线圈的长度（圈数），不利用铁磁材料做磁心。把电感性负载变成纯电阻性负载，这种方法谁都知道是不行的，您也不会同意。

补偿对负载来说是越补越多，而不是减少。对总电路来说，输入的无功功率减少，就是您所讲的不经过电网，这种现象是正确的。但不能反映出事物的本质，“内电动势”的作用反映不出来。如果计算总电网的无功功率多少时，“内电动势”是不能省略的，从总体来说，利用电容器补偿无功功率后，发电机输出的无功功率（比以前减少），但补偿的无功功率大于减少的，所以补偿后从总体上看，也不是减少，而是增加。

3、您说：“负载做功大小与有功功率并不是严格的正比关系......还有损耗”。

我要求的不是百分之百的效率，而是做一下，无功功率的变化，对负载做功有没有影响？

在同一个异步电动机中，当负载和电源电压不变时，并联适当的电容器后与没有并联电容器时，负载做功的大小对比，如果无功功率不能做功或增加一部分损耗，在负载做功大小不变时，消耗的有功功率应当不变或增大；起动需要的时间应当与原来一样。

从无数实践中看，并联电容器后，负载大小不变，消耗的有功功率减少，起动的时间缩短一半。这个事实如果您不相信，可到安装电容器的单位看一看。

在电动机中，其它情况都没有变化，只是改变了无功功率的来源，增加一个“内电动势”。电力部门就是根据此现象，推广利用电容器节电的。

4、您说：“有人销售所谓“节电器”，实际就是一个电容器，那是骗人的。他们测量的是视在功率，并联电容后由于消除了部分无功功率，所以视在功率明显减小，其实有功没变”。

我为了研究利用电容器节电问题，去过安装电容单位，他们领导亲自讲：由超电被罚变为节电受奖，他们当埸给我做试验：把电容器开关拉开（断路），电流表指针转动增大1/3左右，然后合上开关，电流表指针又回到原来的位置。如果利用电容器不能节约电能，难道他们和我说假话？电力部门也说假话？请您到基层安装电容器的单位看一看，把利用电容器节电的现象说清楚。利用电容器在低压电网中（感性负载）节约的视在功率占1/4左右，节约的有功功率占1/10左右，根据各单位负载性质不同而不同。

5、您说：“线圈的自感电动势（即感抗）：感抗所消耗的是无功功率。线圈消耗电网的电能转化为磁能，然后磁能又转化为电能转化为电能反送回电网，如此反复。我们测量的无功功率就是线圈充电功率与放电功率的和，充电功率（耗电）与放电功率（发电）相互抵消，所以实际不耗电”。

电感线圈本身不消耗电能是正确的，正因为这个原因，它才与宏观保守力（重力）一样，才能补偿。如果本身消耗能量（纯电阻），就无法补偿。

从以上情况看，您只看到负载这一方面，没有从整洁个电路方面分析，当电感负载输出电能时，电源电压却变成了负载。从整个电路中看，任何瞬间，负载没有减少，电源电压也没有增加，只是负载与电源在一半的时间中互相转变，因为负载是做功的，所以就把电源电压中消耗的能量，当成是负载消耗的能量。电感消耗能量的根据是产生电压降。

另外电流与电压相位差90度，是时间角度，不是空间角度。纯电感电路中瞬时的平均功率，有的书中认为是：瞬时功率代数和的平均值，它等于零；现在是否已经改变过来，本人不知。

从实践中看，瞬时平均功率应当是瞬时功率绝对值和的平均值，它不等于零。新的计算方法与有无功功率的量纲相一致，与消耗能相符合。

6、您说：“反电动势：它所消耗的功率才是有用功功率（不过还要除去摩擦）。电动机同时也是发电机，电动机的旋转会产生反电动势。反电动势方向始终与电源电动势方向相反..........”。

您讲的转子的“反电动势”，所消耗的才是有用功功率。这个“反电动势”是由电动机转子旋转产生的，它的电流与电压的相位是由谁决定的呢？反电动势输出的全是有功功率吗？

它好比是变压器的二次绕组，输出什么电功率是由负载性质决定的，定子中输入的功率是由转子反电动势决定的。反电动势是转子中的电源，铜损和线圈的感抗是负载，因此反电动势输出的不都是有功功率，其中还有无功功率。

在异步电动机中，两个电动势方向相反，两个电流方向也相反，两个的磁埸方向也相反，在定子中产生的是旋转磁埸（对定子而言），在转子中产生的磁埸是不动的（对转子而言），因异性相吸，定子的旋转磁埸就会带动转子旋转。

又因为定子中的有功功率中的电流，与转子中的有功功率电流方向相反，能产生转矩；同理，定子中的无功功率中的电流，与转子中的无功功率电流也相反。有功功率能做功，无功功率同样能做功，因为它们的相对位置是一样的。

说的太多了，下次再谈。

2.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇二

安全播出是广播电视的生命线,一直以来,确保安全播出是各级广播电视部门和安全播出责任单位努力的方向,是一个永恒的主题。而电力又是广播电视安全播出的核心,起着“一失万无”的作用。近年来,随着广播影视事业的飞速发展,各种计算机服务器、UPS电源、整流开关、变频空调器等设备在广播电视工作中更加广泛应用。而这些设备大多属于非线性用电设备,在电网中大量投入运行,容易形成谐波干扰。谐波不仅直接威胁电网的安全运行,还会给广播电视设备造成危害。因此,采用适当措施消除和抑制谐波的干扰,提高电力品质,对保证广播电视设备稳定、可靠运行十分重要。

1 主要谐波源危害及治理措施

1.1 主要谐波源及其产生的主要谐波成分

对广播电视系统来说,电力系统中谐波主要来自大容量UPS电源,服务器、存储设备、制作、传输、播出、显示等设备的交流整流电源,变频设备(电机、空调)以及其它非线性负荷。这些非线性用电设备导致电流波形畸变是主要的谐波源,但这些用电设备产生的谐波各不相同。

1.1.1 变频设备

变频设备主要含有6n±1次谐波(n是自然数),根据公式计算可知,6脉冲变频器产生的谐波主要为5次、7次;12脉冲变频器产生的谐波主要为11次、13次;18脉冲变频器产生的谐波主要为17次、19次。同时变频设备还含有其他次的谐波,但由于这些谐波相对较小,可以忽略不计。6脉冲变频器谐波电流含量如表1所示。

1.1.2 UPS电源

三相供电6脉冲桥式可控硅整流器的UPS电源,没有3次谐波,主要以5、7次谐波显著,三相12脉冲可控硅整流器时,11、13次谐波最为显著,而单相供电的UPS电源则以3次谐波为主。对大功率UPS来说,如果UPS整流装置为三相全控桥6脉整流器,由整流装置产生的谐波占所有谐波的近25%~33%,6脉冲和12脉冲整流器谐波含量如表2所示。

1.1.3 计算机设备

电路中的开关器件(二极管、三极管)及感性负载工作于高频开关状态而产生尖峰脉冲,计算机设备产生3次、5次和7次谐波为主的谐波。

1.2 谐波的危害

广播电视制播工艺系统中,谐波不仅会使系统设备和计算机系统寿命缩短,还会对数字音视频工艺系统产生干扰。轻者出现噪音,重者系统死机、误码、眼图闭合、信号有效传输距离缩短等现象。

1.3 谐波治理措施

谐波治理措施主要有两种:一是主动治理,即从谐波源本身出发,通过改进用电设备,使其不产生或少产生谐波;二是被动治理,即通过安装电力滤波器,阻止谐波源产生的谐波注入电网,或者阻止电力系统的谐波流入负载端。在实际应用中,由于谐波源的广泛性和复杂性,主动治理方法受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响,只能解决部分问题。被动治理方法(即加装电力滤波器)仍是目前治理电力谐波问题的主要方法。电力滤波器主要分为有源电力滤波器和无源电力滤波器。有源电力滤波器虽然可以滤除多次谐波,但由于价格昂贵、容量较小及安全系数较低等缺点应用较少。低压无源电力滤波器是按照希望抑制的谐波次数专门量身制造的,采用电感、电容的调谐原理,将谐波陷落在滤波器中,以减少其对电网的注入。低压无源滤波装置结构简单,成本较低,且技术已比较成熟,是目前广泛的谐波抑制手段。

2 低压无源电力滤波器初步选型所需条件的估算

下面以某工程实例,论证低压无源电力滤波器初步选型所需条件(即电力谐波电压、电流值)的估算。

工程参数如下:该电力系统总用电负荷为1500kW,其中变频电动机4台(1#变频电机75kW,2#变频电机75kW,3#变频电机250kW,4#变频电机50kW),总功率为450k W,普通电动机总功率为1050kW,变频电动机负荷占总用电负荷的30%。变频电机均采用6脉冲变频器进行变频调速。拟采用一台1600kVA(10kV/400V)变压器供电,系统短路容量为32.9MVA,低压母线段计算电流I=1770A。

2.1 变频设备在设备端产生的电力谐波电流、电压值

1.1#变频器产生的电力谐波电流、电压值。通过计算,1#75k W变频电机变频设备的计算电流I75=137.4A,根据表1及HRUh=1.732UNh Ih/10SK(%)、HRUh=Uh/U1×100(%)分析可知,该变频设备产生的谐波电流、电压值如表3所示。2#变频器产生的谐波电流、电压值与1#变频器产生的电流、电压值相同。

2.3#变频器产生的谐波电流、电压值。通过计算,3#250k W变频电机变频设备的计算电流I250=458A,根据表1及H R Uh=1.732UNh Ih/10SK(%)、HRUh=Uh/U1×100(%)分析可知,该变频设备产生的谐波电流、电压如表4所示。

3.4#变频器产生的谐波电流、电压值。通过计算,4#250k W变频电机变频器的计算电流I50=91.6A,根据表1及HRUh=1.732UNh Ih/10SK(%)、HRUh=Uh/U1×100(%)分析可知,该变频设备产生的谐波电流、电压如表5所示。

2.2 谐波源(变频器)在低压母线段公共连接点处的电力谐波电流、电压值

1.低压母线段公共连接点处第h次谐波电流值。根据两个谐波源在同一线路上叠加计算公式

(K值根据GB/T 14549-93附录C中表C1选取),四个谐波源在同一线路上叠加时,首先将两个谐波电流叠加,然后再与第三个谐波电流相叠加,然后再与第四个谐波电流叠加。得出四台变频设备在低压母线段公共连接点处第h次谐波电流值,见表6。

2.电流总谐波畸变率THDi

3.低压母线段公共连接点处第h次谐波电压值.根据两个谐波源在同一线路上叠加计算公式

(K值根据GB/T 14549-93附录C中表C1选取),四个谐波源在同一线路上叠加时,首先将两个谐波电压叠加,然后再与第三个谐波电压相叠加,然后再与第四个谐波电压叠加。得出四台变频设备在低压母线段公共连接点处第h次谐波电压值,见表7。

4.电压总谐波畸变率THDu

2.3 变频设备产生的谐波与国家规范标准谐波允许值的比较

1.计算值。经过以上计算最终确定,实际计算电压总谐波畸变率THDu=45.04%,注入低压母线段公共连接点的谐波电流值见表6。

2.规范标准允许值。GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》规定,连入公共连接点的谐波电压及电流允许值见表8、表9,由于低压母线公共连接点短路容量与表9基准短路容量不同,因此需对表9按照公式Ih=(Sk1/Sk2)Ihp进行校正,校正后数据见表10。

3.比较及结论。将实际计算值与国家标准比较发现,电压总谐波畸变率,以及注入公共连接点的5次、7次谐波均超出了国家标准规定的范围,需要进行滤波处理,因此采用5次、7次低压无源滤波器进行滤波。

4.低压无源电力滤波器初步选型所需条件估算值。通过对以上数据进行收集整理,确定低压无源电力滤波器初步选型所需条件估算值见表11。

3 低压无源电力滤波器的设计选用注意事项

1.低压无源电力滤波器的额定电压等级和基波频率要与系统一致。

2.确认系统中有无中线谐波滤波需求,有则选用3相4线系统,无则选用3相3线系统。

3.低压无源电力滤波器的基波无功容量应符合系统无功补偿需求。

4.滤波支路需根据系统谐波频谱进行设计或选用,必须从系统中最低次主要谐波开始,常用低压无源电力滤波器支路组合:

无3次谐波时:5次,5次+7次,5次+7次+11次

有3次谐波时:3次,3次+5次,3次+5次+7次

5.低压无源电力滤波器各支路分流的谐波电流强度不得超过该滤波支路的谐波电流额定值。

6.要根据系统阻抗和谐波电压含量进行滤波效果校验和安全运行校验。

7.低压无源电力滤波器一般不可与常规无功补偿电容器并联运行,否则仍会导致谐波放大。

4 低压无源电力滤波器的应用效果

在某配电室设置一台1000k VA(10k V/400V)变压器,负责为通信机房、信息化机房、音视频播控机房和动力机房供电,全部负荷的总容量约为700kW。同时,通信机房配置了两台80kVA UPS电源,信息化机房、音视频播控分别配备了两台120kVA UPS电源。全部UPS电源均采用6脉冲SCR可控硅整流技术,主要产生6n±1次谐波,其中以5次和7次谐波为主,也是主要滤去的对象。本工程采用了2套5次谐波滤波器和2套7次谐波滤波器。加装滤波器前后电压、电流波形效果对比及测试数据分析,如图1、图2和表12所示。

对电网本身而言,提高了供电质量,降低了基波电流和电压,减少了变压器、UPS电源的使用容量,延长了设备寿命,降低了运行成本。

对运行设备而言,基波电流及基波电压的降低,意味着降低了谐波对通信设备、网络设备、播控设备的影响,使各系统运行更加稳定。如消除了通信系统、音视频系统中的噪音干扰;减少服务器、计算机频繁烧坏电源模块现象;降低了传输系统中的误码率;减少了播控系统设备不明原因死机现象。

对应用效果而言,无源滤波器对固定次谐波消除效果较好。本次工程5次和7次谐波滤波器,虽未装设11次谐波滤波器,但对11次谐波的滤除也起了良好的效果。

5 结束语

在电力系统中,由于非线性负荷的使用,电网中出现了大量的高次谐波,不但导致电能质量下降,还会对广播电视工艺系统设备造成干扰和破坏,影响安全播出。采取正确技术措施对电力谐波进行抑制和治理非常必要。正确估算低压无源电力滤波器初步选型所需条件、合理选择低压无源电力滤波器,对有效治理电力谐波,确保广播电视系统设备安全稳定运行具有重要意义。

参考文献

[1]程浩忠等.电能质量[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]林海雪.交流电力滤波装置参数选择的工程方法[J],供用电,1988(4).

[3]吴竞昌.电力系统谐波[M].水利电力出版社,1988.

[4]吕润余.电力系统高次谐波[M].中国电力出版社,1998.

[5]任元会.工业与民用配电设计手册(第三版)[M],2005.

3.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇三

关键词：煤矿 供配电 谐波 危害及治理

中图分类号：TD61文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0080-01

在《煤矿质量标准化标准基本要求及评分办法》里有明文规定，“应定期检测电网谐波，谐波参数不超过规定”，为了更好的了解煤矿供电系统谐破的危害以及治理方法，结合多年工作经验和参考文献，撰写了该文。该文从实际谈到了谐波的来源以及来源的原理，在工作中怎样有效的预防谐波的形成以、治理以及供配电工作中怎样有效的进行防范和治理，以达到符合供电要求，保证安全供电的目的。

电力是我们生活和生产中都不能缺少的一部分，对于理想的交流电网，大家都希望电压其会周期性变化，形成正弦波，对于用电者，也希望所采用的是电压保持理想正弦波的电。随着现在社会的发展，近几年来电力电子装备的应用在不断的增加，各种变频设备、整流设备等电力半导体装置也在不断的应用。而由于使用电力半导体装置其会导致非线形的负载，这样就会使电压、电流等并不是完全的正弦波，根据傅立叶级数分析，可分解成基波分量和谐波分量。谐波其是由于多方面的原因产生的一种电流的畸变，要是这样的谐波电流流入到煤矿电力系统中，其就会导致系统受到多方面的影响，轻则缩短设备使用寿命，重则会导致设备损坏以及人身安全，因此对煤矿供配电系统的谐波进行治理非常有必要。

1 正文部分

1.1 煤矿供配电系统中谐波的原因和危害

半导体的非线性元件其是在煤矿供配电系统中应用广泛的一种，在矿井提升机、通风机、主排水泵等等能电力电子设备方面都有应用，而且在变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备等方面也都有应用，可以说其是应用范围非常广泛。而在煤矿供电网络中，谐波有很多方面的危害，其会导致电网的功率损耗增加，减少设备的使用寿命，同时也会导致接地保护的功能受到影响，也会导致线路和设备过热等。除了这些以外，其还会引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力互感器，变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，使造成供电网络设施损坏、元器件老化，造成电子保护装置误动作，增大附加磁场的干扰等。

谐波其会导致变压器的铜损增加，而且其还会导致变压器的基波负载容量下降，效率降低，对变压器的使用寿命也会有严重影响，使其寿命减少，噪声也会增加。同时产品谐波的话，其还会导致电动机的铁损和铜损，因此而引起额外的升温，导致电动机的效率因此下降，这样也会导致很多不必要的浪费，使生产受到影响，而且其对电动机的影响与对变压器的影响有相同之处，也会导致其设备的使用寿命降低，噪音也会因此增大。对电容器也会有所影响，导致电容器过电流，会导致电容器迅速发生故障。电容器会导致在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，这样就会导致额外升温，还可以减小额定载流量，对矿井供配电系统产生严重影响。此外，由于谐波对通讯的影响，其会导致信号的传输质量降低，就会导致响声以及图像等的清晰度，严重的时候还会导致设备损坏，危及到工作人员的安全等方面的问题。

1.2 煤矿供配电系统谐波治理

谐波的存在是导致矿井安全生产以及安全生活隐患的最主要问题，所以在实际工作中必须要对煤矿供配电系统谐波进行治理。在治理的过程中要根据国家对于谐波污染的治理要求，采取必要的措施进行治理。

（1）选择电力电缆方面。谐波引起电缆发热的危害，是在在矿井供配电系统电力电缆截面的选择过程中必须要考虑到的。对于连接谐波主要扰动源设备的配线，确定电缆载流量时应留有足够裕量，必要时可适当放大一级选择电缆截面。

（2）无功补偿电容器的配置。在进行无功补偿的过程中，在有谐波的矿井供配电系统中，不能采用常规补偿系统进行。通过使用调谐式电容器组，为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，其也就是在补偿电容器中加串调谐电抗器。通过电抗器的使用避开谐波电流可能出现的频率，这种电抗器被称为调谐电抗器，通过使用带有这种电抗器的电容器组确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况等原因而发生谐振。

（3）谐波补偿装置进行补偿。矿井中的主要谐波源是指大功率的提升机、通风机等等，对于这些主要谐波源在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。增加谐波补偿装饰，可以拟制变频器在运行中产生的谐波，使输入电流成为正弦波。采用LC调谐滤波器进行谐波补偿的方式，其是比较传统的方式，这种传统方式其可以补偿谐波，也可以对无功功率进行补偿。不过其也有缺点，就是其补偿的特性会受到多方面的影响，包括矿井供配电系统阻抗和运行状态等，其容易与系统之间发生并联谐振，导致谐波被放大，在严重的时候，其还会导致LC滤波器烧坏。由于该装置的结果简单，即使其只能对固定频率的谐波进行补偿，而且效果也不是很好，不过其仍然是现在广泛应用的一种。在电力电子器件的应用普及以后，在进行谐波补偿中运用有源电力滤波器已经成为了一种主要的方式。采用这种滤波器其对谐波有跟踪作用，尤其是对那些频率以及幅值变化的谐波。其工作原理是在补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。

2 结语

该文从实际谈到了谐波的来源主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因此发生畸变，谐波电流注入到煤矿电力系统中，这些非线性设备就成为电力系统的谐波源。在工作中怎么采取消除或抑制谐波危害的防范措施有效的预防谐波的形成来进行防范和治理，以达到符合供电要求，保证安全供电的目的。

参考文献

[1]刘燕燕，亓跃峰.电网谐波危害分析及在煤矿生产中的应用[J].现代电子技术， 2005（18）.

[2]吴震春，任子晖，仇润鹤.煤矿电网谐波的测试与分析[J].煤炭科学技术，1993 （6）.

4.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇四

变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对产品的要求逐步提高，变频调速以其自身所具有的调速范围广、调速精度高、动态响应好等优点，在许多需要精确速度控制的应用中发挥着提高产品质量和生产效率的作用。其除了具有优良的调速性能之外，还有显著的节能效果，不仅在相关工业行业，变频家电在节约电费、提高家电性能、保护环境等方面的优势也得到了用户的普遍认可和广泛应用[1][2]。

然而变频器在节能、改善人类生活环境、提高产品质量以及提高工业自动化程度方面做出巨大贡献的同时也将产生一些负面效应。变频器产生谐波

变频器根据有无中间直流环节来分，可以分为交交变频器和交直交变频器，在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。交交变频器结构简图如图1所示，其只能降低频率，同时输出电压波形中含有较大的谐波，输入电流谐波严重且功率因数低，在很多应用领域，这些都是不能接受的技术缺陷，往往采用具有中间直流环节的交直交变频器。

交直交变频器结构简图如图2所示，由于交直交变频器中含有整流电路，可控硅元件的导通与关断同样会因其非线性产生谐波，从设备流出的谐波因变流器回路的种类及其运转状态、系统条件等不同产生不同的影响[3]。

2.1 谐波的产生

变频器输入部分电压主波形为正弦波，但电流波形为非正弦波，这是由整流环节及其开关元件的参数离散所引起的[4]。目前，变频器大部分采用三相桥式整流电路，输入电流的波形为三相对称的矩形波，经傅立叶级数分解为基波和6n+1次特征谐波（n=l，2，3，），但实际上由于存在换相重叠角、触发脉冲不平衡等不定因素，使得少量的非特征谐波同时存在。谐波含有率随变频器输出电压升高而减小，而基本不受其输出频率和电流的影响[7]。具体输入侧电流各次谐波的实测值见图3，可见主要是5次、7次、11次、13次等特征谐波，同时含有少量的非特征谐波[5]。

图4 电压性逆变器的输出电压

变频器逆变环节往往采用正弦脉宽调制法（SPWM）法，其输出部分线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其三相的相电压是阶梯波，如图4所示，其非线性是由SPWM脉宽调制的性质所定的；电流波形和载波频率比有关，载波频率比越高，越接近正弦波，波形中会含有和载波频率相关的高次谐波，高次谐波电流对负载直接干扰，还会通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。

随着变频器在各行各业的应用面扩大，单机容量的加大和使用变频器的总容量的增大，因此谐波污染电源及对周围其他设备的影响就日益严重，甚至造成其他电子设备不能正常工作。特别是供电线路上通常连接电力电容器，很容易产生并联谐振，使整流器和其它电器设备因过电流绝缘损坏或烧坏。这样的事故近几年的发生率呈上升趋势。

2.2 变频器周围电气设备受谐波的影响

连接变频器的电源系统往往有并联有电力电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流按着各自的阻抗分配到电源系统和并联负载．下面叙述高次谐波电流对各电器设备的影响。

（1）电力电容器

根据IEC标准规定一般电容器最大电流只允许35％的超载。实际运转时由于谐波的影响常发生严重过载。电容器阻抗随频率的增加而减少，故产生谐波时，电容器即成为一陷流点流人大量电流，导致过热、增加介电质的应力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动短路、过电流及产生噪声[8]。

（2）同步发电机

变频器产生的高次谐波电流在同步发电机的激磁绕组中会产生感应电流，引起损耗增加，可能导致电机过热、绝缘降低、寿命缩短等[2]。

（3）变压器

电流谐波将增加变压器铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和而产生噪声。（4）电动机

谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降额使用。如果输入电动机的波形失真，会增加其重复峰值电压，影响电动机的绝缘 [2]。

（5）电力电子设备

电力电子设备在多种场合是产生谐波的谐波源，但他自身也很容易感受谐波失真而误动作。这种设备靠着电压的过零点或电压波形来控制或操作，若电压有谐波成分时，零点移动、波形改变，造成许多误动作[6]。（6）保护继电器

由于高次谐波的影响，可能引起继电器过电压、产生绝缘损坏、振动引起的机械破坏等等。对于以有效值为基准而动作的继电器，高次谐波的存在使得继电器在接近额定值处也有误动作的可能[3]。

（7）指示电气仪表

电能表等计量仪表会因谐波而造成感应转盘产生额外的电磁转矩，引起误差，降低精确度。20％的5次谐波将产生10％-15％的误差。过大的谐波电流，也很容易使仪器里的线圈损坏[8]。

2.3 变频器谐波抑制措施

对小容量的通用变频器，高次谐波很少成为问题，但当使用的变频器容量大或数量多时，往往就会产生高次谐波电流和高次谐波干扰问题，因此对于高次谐波先采取适当的对策和预防措施是非常重要的。

2.3.1 改善变频器结构

可以从变频器自身硬件结构或者整个变频系统的构建方式和设备选择等方面考虑，从根本上减少变频系统注入电网的谐波、无功等污染。（1）变频系统的供电电源与其他设备的供电电源相互独立，或在变频器和其他用电设备的输入侧安装隔离变压器[9]；

（2）在整流环节采用多重化技术，提高脉波数，可以有效地提高特征谐波次数，降低特征谐波幅值。对于大容量晶闸管变频器可以采取这种方法，利用多重化抑制流向电源侧的高次谐波[11]；

5678另外，还可以综合整流、逆变环节考虑，合理确定整流和逆变电路的开关触发角，使整流电路输入电流的三相波形尽量对称，这个方面还有待进一步的研究。不合格电能对变频器本身的影响

变频器产生谐波以及造成功率因数不平衡破坏电网的电能质量，大量变频器的广泛应用对电网造成的污染越来越严重，首当其冲的是影响到其自身的正常运行。变频器产生的谐波电流在系统阻抗上产生压降，使得其输入电压波形发生畸变，长时间运行在这样的环境下，开关损耗大大增加，开关元件寿命大大缩短，变频器很容易损坏；变频器在输入波形失真的情况下长时间运行，会导致整流环节控制失灵[6]，引起开关元件误动作，甚至在开关过程产生过电压烧坏元器件；如果不及时采取相应措施改善输入波形，不仅影响到变频器的正常工作，还会造成分别与变频器输入端和输出端连接的相关电气设备烧损。这样的实例也越来越多，在近几年的工作中已经多次目睹类似事故。结束语

5.电力系统谐波的危害与治理 篇五

“谐波”一词起源于声学。人们对谐波的关注与研究已有很长的历史了,在18世纪和19世纪已有了对谐波比较成熟的的数学分析。电力系统的谐波问题在20世纪就引起了人们的注意,尤其70年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通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。

在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性,第3、5、7次等编号的为奇次谐波,而2、4、6、8次等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为l00Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。

谐波给电力系统带来的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低,使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,使电能计量出现混乱。对于电力系统外部,谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。因此,对谐波的研究以及如何抑制、治理谐波成为了一个具有重要意义的社会课题。

2 谐波的产生

电网谐波来自于3个方面:一是发电源质量不高产生谐波;二是输配电系统产生谐波;三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。

1)电网与电源设备

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称、铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因,发电源多少也会产生一些谐波,但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高,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%。

2)在用电设备中,下面一些设备都能产生谐波:

(1)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。如果整流装置为单相整流电路,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%;接容性负载时则含有奇次谐波电压,其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器,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,也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明:由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。

(2)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,谐波成份很复杂,除含有整数次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展,对电网造成的谐波也越来越多。

(3)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低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,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45%。

(4)气体放电类电光源

荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非线性十分严重,有的还含有负的伏安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。

(5)家用电器

电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中,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,但数目巨大,也是谐波的主要来源之一。

3 谐波的危害

1)对供配电线路的危害

(1)影响线路的稳定运行

供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护,使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作,因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点,但由于采用了整流取样电路,容易受谐波影响,产生误动或拒动。这样,谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

(2)影响电网的质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载,会产生大量的奇次谐波,其中3次谐波的含量较多,可达40%;三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外,相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,浪费电网的容量。

2)对电力设备的危害

(1)对电力电容器的危害

当电网存在谐波时,投入电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器,虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍,但如果谐波含量较高,超出电容器允许条件,就会使电容器过电流和过负荷,损耗功率超过上述值,使电容器异常发热,在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。另外,谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形,尖顶电压波易在介质中诱发局部放电,且由于电压变化率大,局部放电强度大,对绝缘介质更能起到加速老化的作用,从而缩短电容器的使用寿命。一般来说,电压每升高10%,电容器的寿命就要缩短1/2左右。而且,在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

(2)对电力变压器的危害

谐波使变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加,谐波使电压的波形变得越差,则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外,谐波还导致变压器噪声增大。变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的,随着谐波次数的增加,振动频率在1k Hz左右的成分使混杂噪声增加,有时还发出金属声。

(3)对电力电缆的危害:

由于谐波次数高频率上升,再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小。另外,电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

3)对用电设备的危害

谐波对异步电动机的影响,主要是增加电动机的附加损耗,降低效率,严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场,形成与电动机旋转方向相反的转矩,起制动作用,从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流,当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动,发出很大的噪声。

4)对低压开关设备的危害

对于配电用断路器来说,全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热,同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难,且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器,由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低;电子型的断路器,谐波也要使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,额定电流降低得更多。由此可知,上述三种配电断路器都可能因谐波产生。对于漏电断路器来说,由于谐波汇漏电流的作用,可能使断路器异常发热,出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说,谐波电流使磁体部件温升增大,影响接点,线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说,因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

5)对弱电系统设备的干扰

对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。

6)对电力测量设备的影响

目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型,它们受谐波的影响较大。特别是电能表(多采用感应型),当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确。

7)对人体的危害

从人体生理学来说,人体细胞在受到刺激兴奋时,会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转,其频率如果与谐波频率相接近,电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。

4 电力系统谐波的抑制

对电力谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内,抑制谐波电流主要有三方面的措施:

1)降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施,最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极,能够提高电网质量,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有:

(1)增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源,其特征频谱为:n=Kp±1,则可知脉冲数p增加,n也相应增大,而In≈I1/n,故谐波电流将减少。因此,增加整流脉动数,可平滑波形,减少谐波。电力电子装置常将6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器,以减少交流侧的谐波电流含量。理论上,脉波越多,对谐波的抑制效果越好,但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂,体积越大,变流器的控制和保护变得困难,成本增加。

(2)脉宽调制法

脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻,保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式,使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量,达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的,目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

(3)三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线

三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线形式,这样可以消除3的整数倍次的电力谐波,从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11等次谐波。

2)在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。目前常用的有无源滤波装置和有源滤波装置等。下面就这几种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

(1)无源谐波滤除装置

无源滤波器也称为LC滤波器,可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器,实际应用中常采用几组单调谐滤波器和几组高通滤波器组成一个滤波装置,单调谐滤波器也叫单调谐滤波回路,其主要由控制器、电容器、电抗器和投切开关以及控制回路和保护回路组成。无论高压和低压,都是一样的。高压滤波器和低压滤波器的区别主要是使用的元器件的耐压不同,其所承受的电流也不同,要求的安全距离也就不同了,其设计和制造的难易程度也就有极大的区别了。滤除谐波的多少视每一个工程的实际情况而不同,一般为系统原含有谐波量的20%~50%。也可视工程的具体情况,多设几组滤波器,滤波效果达到原有谐波含量的70%以上,但这要在保护回路上多下功夫,其保护回路也就相对复杂了。

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。现在,市场上流通较多采取的滤波方法就是这一种,滤波效果虽差,但成本较低,用户容易接受。但使用中如果谐振频率设定得不好,会与系统产生谐振。

(2)有源谐波滤除装置

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100%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。

(3)防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量,避免电容器对谐波的放大。为了解决无源滤波器和有源滤波器各自存在的缺点,构成比较理想的谐波补偿系统,将有源滤波器和无源滤波器混合使用。

(4)加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源有电弧炉、电力机车和卷扬机等,除了产生谐波外,往往还会引起供电电压的波动和闪变,有的还会造成系统电压三相不平衡,严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处,并联装设静止无功补偿装置,可有效减小波动的谐波量,同时,可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因数。

3)改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡,可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电,减少谐波对其它负荷的影响,也有助于集中抑制和消除高次谐波。

总之,谐波问题的解决方法可分为预防性的和补救性两种,滤波的最后结果是要使系统的谐波含量满足国家标准的要求或用户对谐波的要求。除了上述介绍的几种方法,抑制谐波的技术措施还有很多,但大都依据以下几个原则:

■抑制谐波电流的产生与注入;

■改善装置的功率因数与无功功率补偿;

■滤波装置安装位置的合理选择;

■电磁干扰的消除和电磁兼容性;

■多种补偿功能一体化。

5 结论

谐波污染已引起社会的高度重视。随着对谐波产生的机理、谐波现象的进一步认识,将会找到更加有效的方法抑制和消除谐波,同时也有助于制定更加合理的谐波管理标准。加大对谐波研究的投入将会大大加快对谐波问题的解决,当然谐波问题的最终解决将取决于相关技术的发展,特别是电力电子技术的发展。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展、法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强,谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。

在国内,电能质量治理工作已经深入开展,对综合动态的谐波治理措施及电网的无功功率补偿问题已提上日程。但是要消除谐波污染,除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外,在设计、制造和使用非线性负载时,应预先采取有力的抑制谐波的措施,减少谐波侵入电网,从而真正减少由谐波污染带来的种种危害。E

参考文献

[1]杨啸天.电力系统谐波分析、测量、评估计算与抑制及滤波新技术[M].北京:电力科技机械出版社,2006.

[2]电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社.

6.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇六

关键词：城市轨道交通;低压配电系统;谐波治理

近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域。计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的主要因素。在诸多公共服务领域，特别是城市轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。

一、城市轨道交通供电系统中的谐波源及有源滤波装置特点

1、谐波，我们通常也称之为高次谐波：主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在城市轨道交通供电系统运行中，存在大量非线性负荷，因此容易造成谐波污染。一般来说，城市轨道交通供电系统中，除牵引整流机组外，低压配电系统也存在很多非线性负荷。比较典型的谐波源有：变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器;LED广告牌;荧光灯;变电所直流屏、UPS电源屏;弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备等。

2、有源电力滤波器特点

有源电力滤波器，其应用可克服无源滤波器（LC滤波器）等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既抑制谐波又补偿无功。三相电路瞬时无功功率理论是有源电力滤波器发展的主要基础理论，且有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波装置主要是治理电流谐波，串联有源滤波装置主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波装置同无源滤波装置比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。

二、城市轨道交通供电系统的谐波危害

城市轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：

（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。

（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。

（3）对无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。

（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。

（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁;导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾;影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。

（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。

（7）电压畸变对照明设备等的寿命有一定的影响。

三、城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施

目前对谐波进行治理主要有以下两种方式：

1、无源方式为避免单体电容器放大谐波，一般采取的措施是改变与电容串联的限流电抗器。电抗率按照5 次谐波及以上呈现感性的原则确定。无功补偿装置采用串联电抗器的无功补偿装置（即电容器串联电抗器的方式）后，通过参数选取使装置在谐波频率下为一低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下提供容性无功。其工作原理如图1所示。本方式具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。但由于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而无源滤波装置存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大;②只能消除特定的几次谐波;③谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成装置过载;④有效材料消耗多，体积大。

2、有源方式由于无源方式具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源电力滤波器。与无源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：①滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;②具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波;③通过适当的控制可以有效的抑制系统谐振。有源电力滤波器工作原理如图2所示，通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得所期望的电源电流。随着0.4kV有源滤波装置的批量生产，该产品的价格已大幅降低，可以替代传统的无功补偿装置。该装置可跟随进线侧电流变化，输出反方向电流，既可以起到滤波作用，又可起到无功补偿功能，具有响应速度快，滤波频谱范围大的特点，满足地铁谐波治理需求。

四、结论

本文结合城市轨道交通低压系统的特点以及有源滤波技术的发展，从系统设计的角度，提出了城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施，避免无功补偿装置对谐波的放大，同时提高系统滤波的效率。

参考文献：

[1]李建民，徐坚.基于SVG 的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008，2.

[2]李健民，徐彦.城市轨道交通牵引供电系统整流器机组功率因数分析[J].郑州铁路职业技术学院学报，2007，12.

7.配电网中的谐波及治理 篇七

关键词：配电网；谐波问题；谐波源

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）03-0129-02

近年来，我国的社会经济发展迅速，经济的快速崛起对电力的需求也日益增加，导致用电负荷的不断加大，面对电力资源短缺的问题要加大新电厂的建设力度，同时对已有网路也要进行优化减少既有线路的电力损失，配电网路中的谐波就是导致电力损耗的一个重要因素，必须采取措施对其进行有效防治，从而真正提高输供电质量。

1 谐波具有的特征及其测度

一个周期电气量的正弦波分量被称作为谐波，这种波的频率为基波频率的整数倍。在经过理论分析后发现配电网的谐波主要是由非线性负荷引起的，非线性负荷所吸收的电流值与加载的端电压值呈现非线性的特征。这种形式的负荷产生的电流为非正弦波，同时还会造成电压出现波形畸变的现象。这种具有周期性的畸变波由傅立叶级数分解后会产生一些大量基频的分量，这些分量就被命名为谐波。

非线性负荷在产生基频整次谐波的同时还能够有比基频更低的次谐波，以及比基波高的非整数倍数的谐波。要对供电质量进行完善就必须对存在的谐波展开治理，在此之前，必须对谐波的类型有清楚的认识，较为常见的谐波有准稳态、波动、快速变化和间谐波等4种类型。由于波在变化过程中其随机性较大，想做到对其进行精准的变化量值分析较为困难，在通常情况下是通过运用数理统计的方式来对其实施测度的。

对某一区域或是全网的谐波进行测度较单点的测度更为复杂和困难，主要是要能够准确定位出谐波源以及采用何种测度模型进行测量。在定位谐波源时通常运用功率方向技术与瞬时负荷参数分割技术。分析谐波的模型包括非线性时域仿真模型、线性与非线性频率分析模型等3种。它们都是对配网电路进行线性化修正，而在具体的修正模拟中采取了不同的技术手段。

2 配电网的谐波源分析

在整个配电网路中发、输、配、用电各环节谐波都是存在的，但在入户用电环节其谐波的产生最大。在发电环节，理论上三相绕组发电机应当是完全对称布置的，发电机铁芯同样应是均匀的，这样在运转工作中不会产生谐波，然而由于生产工艺水平和技术手段等多方面的原因，这种完全的均匀对称性无法实现，导致工作中仍然有一定量的谐波产生。

在整个输变电线路中有众多的变压器设施，而这些变压器的铁芯部件饱和，由于磁化曲线存在非线性的特征，同时设备在额定工作环境下运行使磁密在磁化曲线近饱和段以上，这些因素的综合作用造成了磁化电流出现了尖顶形，其中含有众多的奇次谐波，而随着变压器设施铁心饱和度的升高，它的工作点线性的偏离也会越大，从而导致谐波电流大幅度上升，某些时候其偏离程度甚至能够超过额定电流值的5%。

在用户用电的环节产生的谐波是最多的，例如变频设施、晶闸管整流器和家用电器等设备在使用中都会有谐波的产生。当前晶闸管整流技术被广泛用于充电设备以及电源开关等设备中，在使用过程中它们吸收电网半周的正弦波，这样会有另外的半周正弦波留在电网上，而它的分解会导致大量的谐波产生。相关统计数据显示将近40%的谐波是由整流设备引起的，它是产生谐波的最大电气设施。变频技术现在也被大量用于家用电气的生产中，常见的变频形式主要有交一直一交变频与交一交变频，它们运用的都是相位控制技术，这就会在进行频率变换时产生复杂的谐波，如整次、分次谐波等。

3 配电网中谐波的危害性

现实中谐波产生的危害较大，在配电系统中它会对线路上安装的各种保护与测度设施产生干扰，在这些设备中一般都安装有电磁式继电器以及感应继电器等元器件，由于谐波的干扰作用极易引起设备的误动或者拒动，很多情况下设备发生的不明原因的误动与拒动都是由于谐波的干扰产生的，谐波的存在对配电系统的安全性和稳定性带来了重大隐患。

谐波对变压器的影响主要是对它的铜元件与铁元件的耗损，由于谐波的存在会引起较大的噪音，从而对变电场所附近的环境造成污染，对工作人员也会产生不利影响。谐波在电力电容器元件中会引起端电压值的上升，造成发热量的增加，损耗增多且更容易老化影响其正常使用寿命。

异步电动机的大量使用也会产生谐波，会对异步电动机产生较大的损耗。其中由于负序谐波引起的负序旋转磁场，造成电机会有制动力矩的存在，使电机的部分功率白白损耗掉。而组成电路断路器的电磁与热磁元器件，也会因为谐波的干扰产生误动或拒动，对这个线路带来安全隐患。谐波会对电能表的精确计量产生影响，电能表是测度用户电能耗用的仪器缴费的依据，谐波可导致其计量精度下降，甚至引起其计量的紊乱。

谐波还会对人体健康产生危害，它能对人体细胞产生刺激作用，造成细胞的电位上下波动或是产生可逆翻转，一旦其波动翻转频率与谐波的频率一致时就会引起共振，危害人体的心脏和大脑等。

4 配电网谐波的治理措施

上文对谐波的危害进行了分析，针对其存在的危害必须采取相应的措施来加以应对。

首先，需要加大对相关标准和规范的执行力度，加强宣传教育活动，普及相关知识，让人们明白治理谐波的重要意义，能够做到节能增效，同时也是为了使电网系统能够安全的运行，保障电力资源的稳定供应。

其次，电力运营单位要实时地对电网的运行情况进行监控分析，及时摸排谐波源的位置，掌握现场资料，通过对资料的分析弄清楚其产生的原因加以解决和规避，对经常出现问题的区段要建立观察站点，方便信息的收集。同时用户与电力部门之间也应建立起相互监督的体制机制，用户对电力部门提供的电力资源质量进行监督，而电力部门也对用户的电气设备进行谐波测度和评价，在双方共同努力下减少谐波污染的发生。

第三，要对已经产生和传播中的谐波进行隔离与削弱，例如可以在网路中装配相应的滤波器件，从而减少配电网上的谐波，在电气设施的设计制造上要加大技术投入，在进行规划设计时就对谐波进行规避和减弱，控制在标准范围内保障安全。

最后，在谐波的治理工作中，需要各方的通力配合和资金的落实，只有在政府、电力企业和用户的共同努力下才能取得谐波治理的胜利，使线路及人体的安全得到保障。

参考文献

[1] 周彦，刘铁柱.小议配电网谐波的产生与危害治理[J].中小企业管理与科技，2010，（16）.

[2] 王日辉，刘瑞.浅谈配网谐波的治理[J].建材发展导向，2010，（18）.

[3] 姜志宁.浅析电力谐波的危害及治理[J].通信电源技术，2009，（1）.

作者简介：王竹南，男，阜新矿业集团瓦斯综合利用公司副经理，高级工程师，研究方向：瓦斯发电

8.电力系统谐波危害的检测和治理 篇八

1.1 谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗, 降低了

发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热, 严重的甚至可能引发火灾。

1.2 谐波会影响电气设备的正常工作, 使电机产生机械振动和

噪声等故障, 变压器局部严重过热, 电容器、电缆等设备过热, 绝缘部分老化、变质, 设备寿命缩减, 直至最终损坏。

1.3 谐波会引起电网谐振, 可能将谐波电流放大几倍甚至数十

倍, 会对系统构成重大威胁, 特别是对电容器和与之串联的电抗器, 电网谐振常会使之烧毁。

1.4 谐波会导致继电保护和自动装置误动作, 造成不必要的供电中断和损失。

1.5 谐波会使电气测量仪表计量不准确, 产生计量误差, 给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。

1.6 谐波会对设备附近的通信系统产生干扰, 轻则产生噪声, 降低通信质量;重则导致信息丢失, 使通信系统无法正常工作。

1.7 谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作, 造成数据丢失或死机。

1.8 谐波会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。

2 谐波检测方法

2.1 模拟电路

随着对谐波危害的认识, 人们研究出了很多的办法去消除谐波, 现在比较先进的消除方法是采用有源电力滤波器。但它的缺点是需要采用模拟电路, 因此需要的成本就比较高;而且它对于周围的温度和频率的变化很是敏感, 所以它生成的基波幅值误差很大, 严重影响其控制性能。

2.2 傅立叶变换

傅立叶变换检测电力系统谐波的方式是近几年来普遍应用的一种方法, 离散型的傅立叶变换的应用原理是通过对检测对象进行采样以及使用由A/D转换得到的数字信号。我们可以进行假设, 需要我们测定的信号是x (t) , 我们每隔t秒钟采样一次, 那么它的频率为1/t, 那么采样信号就是x (n t) , 而且采样的信号是有限度的为n=0, 1……N-1。这种方式的弊端就在于它从无线长的信号中截了一段出来, 造成了它泄露的现象, 因而产生了误差。假如我们不是使用整数参数的话, 那么求出来的参数也不够准确, 就会出现相应的栅栏效应, 目前来说, 我们可以通过加窗的方式减少这种泄露现象的影响。

2.3 小波变换

由于电力系统中的谐波是一种随机性、突然性很强的信号。我们在使用离散型傅立叶变换处理电力谐波受到局限时, 这时候小波变换的优势就会凸显出来了, 在用离散傅立叶对谐波采样离散以后, 就可以用小波变换进行处理数字信号, 这样就会真正的实现对谐波的精确测定了。小波变换的优势一个是它具有自动调焦性, 分析不同频率的信息, 根据信息频率的高低, 自动变化时窗的宽窄;一个是小波变换是按照频点的处理方式来处理信息的, 所以即使信号出现了微小的波动也不会造成影响, 而且它也不需要对信号进行采样。是一种方便快捷的变换分析方法, 它弥补了傅立叶变换的不足, 拥有窗口随频率变化而变化的优点, 是进行测量和处理电力谐波的理想工具。

3 电力系统谐波治理

本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法, 基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种。

3.1 增加整流变压器二次侧整流的相数

现在最常用的变压器就是整流变压器, 而这种变压器就是供电系统中产生谐波的主要源头之一。我们对于这种变压器的处理方式就是尽量地增加整流的相数, 这样就有利于降低地刺频率的谐波, 在一般的工程设计中应该给予考虑。例如, 它在交流侧产生的谐波为t K谐波, 如果我们把整流变压器的装置由六脉动谐波, 其次数为n=6K 1增加到十二脉动时, 其次数就变为n=12K 1 (其中K为正整数) , 这样就可以减少5-7等次的谐波, 有效的抑制低次谐波。但是这种方法只在理论上能够实现, 在实际应用中, 由于造价太高, 对于谐波的减少也是少量的, 所以很少使用。

3.2 整流变压器采用Y/或/Y接线

这种方法是抑制高次谐波最常用的方法, 特别是对于消除三的整数倍次的谐波, 多数应用于大容量的整流变压器中。我们分析采用/Y接线形式的整流变压器来说明这种方法的工作原理, 当高次谐波的电流反串到变压器副边绕组内时, 三的倍数次谐波就被抑制住而不存在了。但是铁心内却会出现三的倍数次谐波的磁通, 它就会产生出大量的三的倍数次谐波, 正由于它们的相位一样, 所以它们只能子啊绕组内产生环流, 使能量都消耗在电阻之中了, 所以整流变压器采用三相晶闸整流装置接线形式, 谐波源产生的3的整数倍谐波刘就会在接线绕组内形成电流, 一直到它消耗殆尽, 有效地抑制了谐波进入到电网当中, 有力的保护的电能的质量, 是一种行之有效的方式。

3.3 尽量选用高功率因数的整流器

高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造, 使其尽量不产生谐波, 其电流和电压同相位的组合装置, 这种整流器可以被称为单位功率因数变流器 (UPFC) 。该方法只能在设备设计过程中加以注意, 从而得到实践中的谐波抑制效果。

3.4 整流电路的多重化

整流电路的多重化, 也是针对消除次数较低谐波的一种有效的方式, 它主要通过叠加多个方波, 就会得到接近正弦波的阶梯波, 它重数的次数和接近正弦波的程度成正比, 但是它也有一定的缺点, 它的电路相当的复杂, 所以只能使用在大容量的机器上。同时, 这种方法可以减少交流电流的谐波也可以减少直流电压中的谐波, 并也可以提高纹波的频率。我们把这种方法和PWM技术结合使用, 就会有更好的效果。这种方法最常用于桥式整流电路, 用来减少电流的谐波。

随着社会经济的快速发展, 计算机技术的普遍应用, 人们对于自己的生活质量问题越来越重视了, 我们每天都在使用电, 对于电能的质量问题越来越引起了人们的关注。为了提高电能质量的监测水平, 我们可以使用电能质量测试仪器, 也可以建立网络的监测系统, 随时关注电能问题, 及时进行分析和作出相应的决策。保障电能的安全、稳定的运行是我们每个人的责任。

参考文献

[1]电能质量-公用电网谐波GB/T14549-1993.[1]电能质量-公用电网谐波GB/T14549-1993.

[2]吕润馀.电力系统高次谐波.[M].北京:中国电力出版社, 1998.[2]吕润馀.电力系统高次谐波.[M].北京:中国电力出版社, 1998.

9.电力系统谐波及治理本科毕业论文 篇九

一、电力系统的谐波源

电力设备负荷具有非线性特征, 使得电压和电流波形发生畸变而出现谐波分量。随着现代工业的快速发展和电力电子技术的广泛应用, 电力系统中的非线性负荷大量增加, 在电力系统中形成了大量的谐波源。通过对负荷的特征分析, 认为谐波源分为四类。

1.含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。在钢铁企业, 电弧炉形成的谐波占此类谐波的比重较大。电弧的伏安特性具有高度的非线性, 以及电弧的长度受电磁力、对流气流、电极移动、炉料在熔化过程中的崩落和滑动的影响, 电弧电流的变化很不规则, 从而出现一系列的谐波, 成为主要的谐波源。此外, 工业生产中广泛使用的电弧焊的接触焊设备、矿热炉、硅铁炉等也属于此类非线性电力负荷。

2.整流和换流电子器件所形成的谐波源。电力电子中的晶闸管整流和换流技术在工业企业中广泛应用, 成为产生谐波的主要来源, 包括用作高压直流输电的大容量整流和逆变装置, 工业生产中大量使用的变频器、晶闸管整流电源, 以及铁路电气化中机车使用的交流单相整流供电电源。

3.各种家用电器的谐波含量。家用电器中部分电器带有非线性元件, 诸如荧光灯、稳压电源、电视机等, 虽然单个容量小, 但是数量多分布广, 在电力网负荷中占有相当的比重, 谐波的影响应受到重视。

4.电力电容器及其附加串联电抗器对高次谐波的放大。电力系统中无功补偿电容器配置不当时, 将会放大电力网中的谐波, 对配电网中的高次谐波含量造成较大的影响。

二、谐波的危害

谐波的含量影响波形的质量, 会对供电网络运行产生严重的影响, 甚至危害电气设备和电力系统的安全运行。通过对电力系统谐波分析, 总结有以下危害。

1.谐波会使旋转电机附加损耗增加, 出力降低, 加速绝缘老化, 表现为电动机效率低、过热等。

2.谐波通过变压器时, 将因集肤效应和邻近效应在变压器绕组中引起附加损耗。3次谐波及其倍数的谐波在变压器三角形接法的绕组中形成的环流会使变压器绕组过热, 同时使得变压器噪声增大。

3.高次谐波电流流过串联电抗器时, 会在串联电抗器上形成过高的压降, 使电抗器的匝间绝缘受损。

4.谐波电压作用于对频率敏感的电容元件上时, 会使之严重过电流, 导致发热加速介质老化。

5.谐波电流流过输电线时, 输电线的电阻会因集肤效应而增大, 加大线路的损耗。

6.谐波电压和谐波电流将对电工仪表的测量准确度产生影响。过大的高次谐波电流流入电能表, 可能烧毁电流线圈, 频率过高时电能表可能停转。

7.较大的高次谐波电流会显著延缓供电电弧的熄灭, 导致单相重合闸失败或不能采用快速单相重合闸。

8.供电线路中存在的高次谐波所产生的静电感应和电磁感应会对与之平行的通信线路产生声频干扰, 影响到通信质量。

9.谐波侵入电力网有可能会引起电力系统中继电保护的误动作, 进而影响到电力系统的安全运行。

三、治理谐波的措施

为了限制谐波对系统的影响, 提高波形质量, 必须采取行之有效的措施。一方面是着眼于谐波源, 减少谐波分量;另一方面是在谐波源的外部采取措施。

1.增加整流装置的脉冲数。由于多相整流产生特征谐波的谐波次数n与脉冲数p成正比, 而其产生的谐波电流的方均根值又与n成反比, 所以增加整流装置的脉冲数就可以减少由于整流而产生的谐波电流。

2.混合采用各种变压器的接线方式, 使5次、7次谐波相互抵消。在运行实践中发现基本谐波主要由变压器引起, 10 k V或6 k V配电变压器常采用Yyn接线或Dyn接线, 而330 k V、220 k V、110 k V以及35 k V的变压器基本采用星形接线, 其低压绕组采用三角形接线, 从而使得整个变压器组的主要谐波电流相互叠加, 如果混合采用变压器的不同接线方式, 可以有效地消减电力网中的基本谐波。

3.夜间断开改善功率因数用的电容器, 主要是夜间轻负载, 电容器的连接可能引起与系统阻抗之间谐振而产生高次谐波的放大。

4.连接串联电抗器, 在用户处, 对不带电抗器的电容器, 应当接入串联的电抗器, 已有电抗器时则要加强抗高次谐波的能力, 这些可以作为抑制高次谐波影响的相应措施。

5.调整系统供电与电力网的接线方式, 进行适当的切换。这项措施是结合电力网的具体结构研究的系统谐波的合理分布方式, 并使电力网不致因低谷负荷时电力网电压过于偏高, 致使谐波增大。

6.设置LC滤波器, 是就近吸收谐波所产生谐波电流的有效措施。在工频下, 作为移相电容器供给性的无功功率, 滤波器同时具有改善功率因数和抑制高次谐波的作用。

7.设置有源滤波器, 根据新型电力电子元件所构成的逆变器应用技术去产生反相位的高次谐波, 能抵消系统中的高次谐波, 从而使电源电流成为正弦波, 成为理想的滤波器。

10.烟草工业配电系统谐波治理探讨 篇十

近年来烟草工业经历了跨越式的发展,生产过程由以前的手工作坊式进入自动化生产,并引入了大量的自动控制技术。随着自动控制技术的应用,作为重要能源供应的配电系统也开始遭受“污染”,并对设备的正常运行产生了不同程度的后果。

2 谐波的概念和产生的原因

2.1 什么是谐波[1]

对于理想的供电系统来说,希望交流电压和电流波形呈现标准的正弦波。电压的数学表达式就是:

其中:

U——电压有效值;

α——初相角;

ω——角频率。

当标准的正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时,其电流和电压分别为比例、积分和微分关系,仍为同频率的正弦波。可是当正弦电压施加在非线性电路中时,电流就变为了非正弦波,非正弦电流作用在电路元件上时,电压也变为非正弦波。

谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量,通常也称为高次谐波。对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u(ωt),一般可分解为如下形式的傅立叶级数:

其中:

其中n=1,2,3,⋯。

在式(2)的傅立叶级数中,频率为1/T的分量称为基波,频率为大于1整数倍基波频率分量称为谐波。谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。并且式(2)对于非正弦电流同样适用。

2.2 烟草工业配电系统谐波产生的原因[2,3]

谐波早在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形成了电压、电流波形的畸变。随着烟草设备中变频技术的大量应用和电力电子设备的大量使用,谐波也随之产生。

变频器是配电系统中的一个重要的谐波源。变频器在动力能源供应的锅炉、水泵、风机等设备中广泛的使用,它是把工频电转变成各种频率的交流电,以实现被控制设备的变频运行。目前大量使用的是交-直-交变频器,即先把频率固定的交流电变成直流电,再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。逆变的过程主要采用SPWM(交流脉宽调制)技术实现逆变,其工作原理如图1所示。

SPWM是在基本逆变的原理基础上改变导通触发规律而得到的,其输出电压仍然是一连串正负交替变换的脉冲,只是脉冲的宽度发生了变化。由于SPWM逆变器要求电压型直流回路,而电容器的电压不能突变,因此在整流电路中,当输入电压瞬时值小于电容器端电压时,整流器件承受着反压不能导通,只有当输入电压瞬时值大于电容器端电压时才有电流输入,这样的电流断续情况在输入侧就产生了谐波[4]。

荧光灯是配电系统中谐波产生的另一个重要因素,由于其伏安特性是严重非线性的,因此也会引起严重的谐波电流,其中3次谐波含量最高。当多个荧光灯接成三相四线制负载时,中性线上就会流过很大的3次谐波电流。如果每个荧光灯上还接有补偿电容器,3次谐波电流还有可能引起谐振而使谐波放大,会使电压波形也发生严重畸变。

3 谐波的危害

理想的电网提供的电压应该是标准频率和规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现使用电设备所处的环境恶化,对用电设备和通信系统带来了很大的危害,由谐波引起的设备故障不断发生。其危害大致见表1。

针对电网中谐波电压和谐波电流对用电设备带来的危害,世界各国都发布了限制电网谐波的国家标准。我国在1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》从1994年3月1日开始实施。表2和表3分别给出了公用电网谐波电压和谐波电流的限值[5]。

当电网公共点的最小短路容量异于表中基准短路容量时,按下式修正表2中的谐波电流允许值:

其中:

Sk1——公共连接点的最小短路容量,MVA;

Sk2——基准短路容量,MVA;

Inp——表2中第n次谐波电流允许值,A;

In——短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值,A。

4 谐波的抑制措施

解决配电系统中谐波的措施目前主要有两个方向。一是装设谐波补偿装置,采用LC组成的无源调谐滤波器。由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波,其实配电系统中的无功补偿电容也可以看作是谐波补偿装置。其工作原理如图2所示。

无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,但是由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路,以起到滤波作用,其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的,因而其滤波特性受系统参数的影响较大,并且只能消除特定的几次谐波,并且对某些次谐波还会产生放大的作用。

第二个方向是有源滤波器,由于无源滤波器具有以上缺点,随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。有源电力滤波器的基本原理如图3所示[6]:

有源电力滤波器通过检测补偿对象的电压和电流,经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流。其补偿谐波的等效电路图如图4所示。

从图4中可以得到,电网侧的谐波电流可以写为:

只要控制有源电力滤波器的输出电流İch,使其满足İch=İLh,即可使电网侧的谐波电流尽可能的小。

但是由于烟草企业生产连续的特殊性,为了确保供电的安全可靠,每个变电站采用两台变压器单独供电,当某台变压器发生故障的时候用另外一台联络使用,并且每台变压器都有单独的无功补偿装置,而有源电力滤波器属于电流源,当系统中存在容性设备使特定次的补偿电流(Inf)流向电容柜侧,使得检测信号(Ih+If+Inf)中,包含有谐波补偿电流Inf,从而造成了系统谐振,或者当变压器联络运行时会造成开环有源滤波器闭环使用,同样也会造成系统谐振。其谐振产生原理图如图5所示。

为了解决这一问题,就必须使计算电流减去特定次的补偿谐波电流,从谐波补偿电流Inf产生的点来看,只要能使检测信号中不包含补偿电流就可实现,这里采用了信号减法的方式消除这种危险。通过采用信号做减法的方式,使用检测信号相减If’-(-Ih-If+If’)=Ih+If,得到负载信号(Ih+If),其原理如图6。

5 治理效果

采用信号减法方式在系统中安装有源电力滤波器后,利用FLUKE 434B对配电系统谐波进行检测,并与治理前的电流波形进行对比,对比图如图7所示:从图中电流曲线可以看出电流波形由不规则的锯齿波形变成了基本规则的正弦波形,治理措施取得了明显的效果。

6 结束语

随着烟草工业企业的技术改造及设备升级换代,非线性电力设备应用愈加广泛,这些新技术的应用在提高了劳动生产率的同时也给供电系统电网带来了谐波污染等问题,谐波污染加速了设备绝缘老化甚至引起电器火灾等事故。因此必须采取其他的方法和手段合理利用电力技术发展带来的有利成果,减少其不利因素对经济和社会发展的影响。

参考文献

[1]GB/T14549-93.电能质量公用电网谐波[S].

[2]中国电能质量网.变频器是怎样产生谐波电流的?[EB/OL].http://www.chinapqc.com/View_Affiche.asp?Id=370.2011-01-06.

[3]李良仁.变频调速与应用[M].北京:电子工业出版社,2004.

[4]王树.变频调速系统设计与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[5]GB12325-90.电能质量供电电压允许误差[S].