電能質量概述講解(共25頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上電能質量講座1電能質量綜述一、概述電能質量是通過電壓來表征的, 描述電力系統(tǒng)或供電系統(tǒng)性能和測量方法的總稱。由于電壓、電流或頻率偏差引起的，用戶設備工作異?；驌p壞的任何電力問題，都屬于電能質量問題。主要包括：l 頻率偏差；l 電壓偏差；l 功率因數(shù)l 三相電壓不平衡度； l 諧波（波形畸變）；l 電壓波動與閃變；l 暫時過電壓與瞬態(tài)過電壓。1）頻率 我國規(guī)定50Hz正弦波為系統(tǒng)的標準頻率，正常頻率標準為50Hz±0.2Hz，系統(tǒng)容量較小時，可放寬到50Hz±0.5Hz。標準GB/T 159451995電力系統(tǒng)頻率允許偏差中并沒有說明系統(tǒng)容量大小的界

2、線，全國供用電規(guī)則中規(guī)定了供電局供電頻率的允許偏差：電網容量在3000MW及以上者為0.2Hz，電網容量在3000MW以下者為0.5Hz。實際運行中，我國各跨省電力系統(tǒng)頻率的允許偏差都保持在+0.1-0.1Hz的范圍內。2）電壓電網中各點的電壓調節(jié)不同與頻率的調節(jié)，電網各點電壓主要反映該點無功功率的供需關系，電壓調節(jié)一般采取無功就地平衡的方式進行無功功率補償，從源頭上進行解決，同步發(fā)電機和變壓器均具有調整電壓的功能。3）三相不平衡度電力系統(tǒng)中三相電壓的不平衡度，用電壓或電流負序分量與正序的均方根百分數(shù)表示：其中，U1-三相電壓正序分量方均根值 U2三相電壓負序分量方均根值三相電壓不平衡（即存在

3、負序分量）會引起繼電保護誤動、電機附加振動力矩和發(fā)熱。額定轉矩的電動機，如長期在負序電壓含量在4的狀態(tài)下運行，由發(fā)熱，電動機絕緣的壽命將會降低一半，若某相電壓高于額定電壓，其運行壽命的下降將更加嚴重。4）電壓波動和閃變電壓波動和閃變是指電壓幅值在一定范圍內有規(guī)則的變動時，電壓最大值與最小值之差相對額定電壓的百分比，或電壓幅值不超過0.9p.u.1.0p.u.（標么值）的一系列隨機變化。這種電壓變化稱為閃變，以表達電壓波動對照明燈的視覺影響。5)諧波50Hz倍頻的正弦波，是電能質量的重點問題。6）間諧波間諧波是指不是工頻頻率整數(shù)倍的諧波。間諧波往往由較大的電壓波動或沖擊非線性負荷所引起，所有非線

4、性的波動負荷如電弧爐、電焊機，各種變頻調速裝置，同步串級調速裝置及感應電動機等均為間諧波源。間諧波的特點是放大電壓閃變和對音頻干擾，造成感應電動機振動及異常。間諧波的危害等同與整數(shù)次諧波電壓的危害，我國目前沒有制定相應的國家標準對間諧波限值進行規(guī)定。7）暫時過電壓和瞬時過電壓（1）暫時過電壓是指持續(xù)時間較長的不衰減和弱衰減的（以工頻一定的倍數(shù)、分數(shù)）振蕩的過電壓。（2）瞬態(tài)過電壓是指持續(xù)時間數(shù)毫秒或更短，通常帶有強阻尼的振蕩或非振蕩的一種過電壓。暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓是由于電力系統(tǒng)運行操作，或遭受雷擊，或發(fā)生故障等因素引起的。8）電壓暫降和電壓上升（1）電壓暫降是指由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶持

5、續(xù)時間0.5周波至1min內下降到額定電壓或電流的1090。即幅值為0.1p.u.0.9p.u.（標么值）時系統(tǒng)頻率仍為標稱值，然后又恢復到正常水平。（2）電壓上升是指電壓的有效值升至額定值的110以上，典型值為額定值的110180稱為電壓上升，即暫時超過標稱值10以上，系統(tǒng)頻率仍為標稱值，持續(xù)時間為0.5周波1min，幅值為1.1p.u.1.8p.u.。二、電壓異常發(fā)電機發(fā)出的是三相交流正弦電壓, 某些因素會降低電壓的質量, 對于三相交流系統(tǒng)表現(xiàn)在以下四個方面：Ø 電壓幅值短時或規(guī)律的改變；Ø 電壓波形偏離正弦形狀；Ø 三相電壓不對稱(三個線電壓的幅值和相位發(fā)生

6、偏移)；Ø 電壓的頻率偏離50Hz。l 電壓不正常表現(xiàn)形式：1) 電壓跌落電壓跌落是指電網電壓突然降低, 甚至達到電壓零值。電壓跌落通常由短路引起, 發(fā)生短路后除了自身電網及下級電網受到影響外, 相鄰電網也會受到影響。短路后自動重合閘裝置的動作時間一般為10ms2s。如果用戶饋線發(fā)生短路, 則停電時間會長一些, 因為需要檢查線路和排除故障。2) 電壓不對稱如果在三相電網的某一相或兩相間接有大功率的負載, 則會出現(xiàn)電壓不對稱。電壓不對稱會使電氣設備(例如電動機)的熱損耗增加和發(fā)生振動。3) 緩慢電壓改變由于負載的緩慢變化引起電壓的改變, 電力部門通常采用有載調壓變壓器, 自動跟隨電壓的

7、改變, 使輸出電壓保持為額定值。低壓電網中電壓偏移的程度一般不應超過±10%。4) 快速電壓改變快速電壓改變是指電壓較小幅值(3%)的突然變化, 或者規(guī)律性出現(xiàn)(電焊機), 或者不規(guī)則出現(xiàn)(電弧爐)。這種快速的電壓改變可以導致照明燈發(fā)生閃爍(閃變)。5) 諧波電壓產生諧波的設備主要有電視機、照明裝置、變流器和電弧爐等。諧波使電壓波形發(fā)生畸變, 導致電氣設備發(fā)生功能錯誤, 使電動機、電容器和電纜增加熱損耗。6) 傳輸過電壓由于線路或設備落雷會產生傳輸過電壓, 各種電氣設備和開關的開閉操作也會導致傳輸過電壓,其延續(xù)時間通常在微秒或毫秒范圍。l 引起電壓異常的原因：Ø 電網

8、16; 大氣影響(例如雷電、風暴、霧霜等)其它外部影響(例如挖掘機損壞電纜, 導致單相接地或斷電)。Ø 相鄰負載Ø 自身影響Ø 用戶內部電網短路可導致供電中斷, 各種電氣設備的關合操作也會產生相互干擾。l 電壓不正常引起的短時影響：Ø 開關或接觸器掉電Ø 變流器換相故障Ø 計算機計算錯誤, 數(shù)據(jù)丟失Ø 線路損耗增加Ø 導線絕緣破壞甚至擊穿Ø 并聯(lián)電容器諧振過流l 電壓不正常引起的長期影響：Ø 設備過熱Ø 材料疲勞Ø 設備及絕緣材料過早老化在電壓從額定值降低10%(長期)和30

9、%(短時)的情況下, 大多數(shù)設備能夠正常工作, 但某些敏感電氣設備(例如工業(yè)控制計算機)在電壓低于額定值的3%時可能會發(fā)生故障。三、干擾一個公用電網接有各種各樣的負載, 由于電網的傳輸特性, 各個設備間的干擾是不可避免的。發(fā)射干擾的設備主要有變流器、電弧爐和電焊機等, 尤其是電力電子裝置的使用越來越多, 對電網產生污染。四 穩(wěn)態(tài)電能和暫態(tài)電能問題電能質量問題可以劃分為穩(wěn)態(tài)電能質量問題和暫態(tài)電能質量問題。穩(wěn)態(tài)電能質量問題以波形畸變?yōu)橹饕卣?，是電能質量的主要方面，影響范圍廣，程度深，其主要性能指標是：電網頻率、電壓偏差、不平衡度、諧波、電壓閃變。暫態(tài)電能質量問題通常是以頻譜和持續(xù)時間為特征，它屬

10、于穩(wěn)態(tài)電能質量問題的延伸，暫態(tài)電能質量問題其實質就是暫態(tài)電壓質量問題，或者電網遭受外來干擾侵襲及內部故障、操作所帶來的系統(tǒng)沖擊問題，其主要性能指標是：電壓瞬變、電壓閃變、電壓驟升、驟降及瞬時電壓中斷。瞬態(tài)：半個周波（10ms)以內暫態(tài)：從10ms 到1min穩(wěn)態(tài)：1min以上電壓暫時的變化類別頻譜條件持續(xù)時間電壓大小脈沖納秒5ns rise<50ns微秒1s rise50ns1ms毫秒0.1ms rise>1ms振蕩低頻<5KHZ0.350ms04pu中頻5500KHZ20s08pu高頻0.55MHZ5 s04pu電壓長時變化類別持續(xù)時間電壓大小持續(xù)中斷>1min0.0

11、pu欠電壓>1min0.8 to 0.9pu過電壓>1min1.1 to 1.2pu2 電能質量監(jiān)督標準體系GB 12325-2003電能質量 供電電壓允許偏差 GB 12326-2000電能質量 電壓波動和閃變 GB/T 145491993電能質量 公用電網諧波 GB/T 15543-1995電能質量 三相電壓允許不平衡度GB/T 15945-1995電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差GB/T 18481-2001電能質量 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓GB/T 19862-2005 電能質量監(jiān)測設備通用要求電綜【1998】211號 電網電能質量技術監(jiān)督管理規(guī)定電能源【1998】18號 電力

12、系統(tǒng)電壓和無功電力管理條例SD 1261984 電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定DL 755-2001電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則DL/T 1053-2007 電能質量技術監(jiān)督規(guī)程2.1GB/T1594595 電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差一般不得超過±0.2Hz，最大可放寬至±0.5Hz2.2GB1232590 電能質量 供電電壓允許偏差1）發(fā)電廠和變電站的母線電壓允許偏差值330kV及以上變電站母線電壓允許偏差值330kV及以上變電站母線正常運行方式時，最高運行電壓不得超過系統(tǒng)標稱電壓的+10：最低運行電壓不應影響電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、廠用電的正常使用及下一級電壓的調整。2）發(fā)電

13、廠和330kV及以上變電站的中壓側母線電壓允許偏差值。發(fā)電廠220kV母線和330kV及以上變電站中壓側母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)標稱電壓的0+10；非正常運行方式時為系統(tǒng)標稱電壓的-5十l0。3）發(fā)電廠和220kV變電站的35kV110kV母線電壓允許偏差值。發(fā)電廠和220kV變電站的35kV1l0kV母線正常運行方式時，電壓允許偏差為系統(tǒng)標稱電壓的-3+7；非正常運行方式時為系統(tǒng)標稱電壓的±10。4）發(fā)電廠帶地區(qū)供電負荷的和變電站的10(6)kV母線電壓允許偏差值。在正常運行方式時，應使所帶線路的全部高壓用戶和經配電變壓器供電的低壓用戶的電壓，均能符合6.1.1中的規(guī)

14、定值，一般可按0+7考慮。2.3GB/T1454993 電能質量 公用電網諧波380V系統(tǒng)電壓總諧波畸變率小于5.0，奇次諧波電壓含有率小于4.0，偶次諧波電壓含有率小于2.0%。2.4GB/T1554395 電能質量 三相電壓允許不平衡度電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%。短時不得超過4%。電氣設備額定工況的電壓允許不平衡度和負序電流允許值仍由各自標準規(guī)定。例如旋轉電機按GB 755旋轉電機 基本技術要求規(guī)定。2.5GB123262000 電能質量 電壓允許波動和閃變1）波動概念： 波動負荷，運行過程中從供電網中取用快速變動功率的負荷。例如：煉鋼電弧爐、軋機、電弧焊機等。電壓波動

15、頻度r ，單位時間內電壓變動的次數(shù)。 電壓變動d，電壓變動特性上，相鄰兩個極值電壓之差，d用百分數(shù)表示時，基數(shù)是標稱電壓。表 電壓變動限值2）閃變 略3 電壓偏差與頻率偏差電壓偏差即為實際供電電壓與額定供電電壓之間的差值。引起電壓偏差的因素有無功功率不足、無功補償過量、傳輸距離過長、電力負荷過重等，其中無功功率不足和無功過剩是造成電壓偏差的主要原因。隨著負荷增長和電力市場的開放,電壓偏差越來越受到電力部門的重視。在穩(wěn)態(tài)條件下,各發(fā)電機同步運行,整個電力系統(tǒng)的頻率可以視為相同。頻率是一個全系統(tǒng)一致的運行參數(shù)。電力系統(tǒng)頻率偏差是指電力系統(tǒng)內的實際頻率與標稱頻率之間的偏差。引起電力系統(tǒng)頻率偏差的主要

16、原因是負荷的波動,主要包括變化周期在10s3min的負荷脈動和變化十分緩慢的持續(xù)變動分量且?guī)в兄芷谝?guī)律的負荷。頻率對電力系統(tǒng)負荷的正常工作有廣泛的影響,系統(tǒng)某些負荷以及發(fā)電廠廠用電負荷對頻率的要求非常嚴格。要保證用戶和發(fā)電廠的正常工作就必須嚴格控制系統(tǒng)頻率,使系統(tǒng)頻率偏差控制在允許范圍之內。3.1電力系統(tǒng)電壓與頻率偏差造成的影響3.1.1電力系統(tǒng)電壓偏差的影響用電設備是按照額定電壓進行設計、制造的。如照明常用的白熾燈、熒光燈,其發(fā)光效率、光通量和使用壽命均與電壓有關。圖1中的曲線表示白熾燈和熒光燈端電壓變化時,其光通量、發(fā)光效率和壽命的變化。白熾燈對電壓變動很敏感。從圖1中可看出,當電壓較額定

17、電壓降低5%時,白熾燈的光通量減少18%;當電壓降低10%時,光通量減少30%,照度顯著降低。當電壓較額定電壓升高5%時,白熾燈的壽命減少30%;當電壓升高10%時,壽命減少50%,這將使白熾燈損壞的數(shù)量顯著增加。圖1 照明燈的電壓特性許多家用電器(如洗衣機、電風扇、空調機、電冰箱、抽油煙機等)內的單相異步電動機,電壓過低會影響電動機的起動,使轉速降低、電流增大,甚至造成繞組燒毀的后果;電壓過高,有可能損壞絕緣或由于勵磁過大而發(fā)生過電流。3.1.2對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響電力系統(tǒng)維持同步運行的能力與電網電壓水平有很大的關系,即： 式中P：三相功率E：發(fā)電機電動勢U ：系統(tǒng)線電壓：E、U之間相位

18、角X：線路總阻抗式( 1)稱為單機無窮大系統(tǒng)功角特性。當電力系統(tǒng)結構確定, 即X 已確定的情況下,提高系統(tǒng)電壓及發(fā)電機電動勢(發(fā)電機端電壓也相應提高)就能大大提高系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定極限。3.1.3對電網經濟運行的影響輸電線路和變壓器在輸送功率不變的條件下,流過電流大小與運行電壓成反比。電網低電壓運行,會使線路和變壓器電流增大。線路和變壓器繞組的有功損耗與電流平方成正比,因此低電壓運行會使電網有功功率損耗和無功功率損耗大大增加,增大了電力傳輸?shù)某杀尽?.2電力系統(tǒng)頻率偏差的危害3.2.1系統(tǒng)低頻率運行對負荷的影響系統(tǒng)頻率特性隨運行工況的不同和負荷組成比例的變化而不同。不同的系統(tǒng)有不同的特性,即使同一

19、系統(tǒng), 在不同的季節(jié)甚至不同的時段內, 特性也有不小的差別。我國各地多次的系統(tǒng)頻率特性試驗綜合結果為:在50 Hz系統(tǒng)中,頻率每變化0.1Hz,負荷功率變化0.02 %0.06 %。3.2.2電力系統(tǒng)高頻率運行的危害當電力系統(tǒng)運行頻率高于額定值,但不超出正常運行允許上限時,短期內對電力系統(tǒng)的安全不會造成威脅,但也和低頻率運行一樣,對運行設備有一定的累積損傷。從經濟方面考慮,高頻率運行既浪費了一次能源又減低了效率。對生產設備運轉速度要求嚴格的用戶來說,高頻率運行降低了產品的質量。當電力系統(tǒng)頻率超出正常運行允許上限值時,旋轉機組將超速運行,轉子上的線圈綁線和原動機轉子上的葉片在超出正常轉速10 %

20、以上就可能從轉子上甩出,發(fā)電機定子端部也很可能因超速過電壓的沖擊而受損,電動機轉子也會發(fā)生類似的損傷。3.3 治理電壓與頻率偏差超標的對策3.3.1治理電壓偏差超標的對策電壓偏差超標治理的主要對策是采取各種調壓手段和方法,在各種不同運行方式下,使用戶的電壓偏差符合國家標準。主要包括以下幾種電壓調整方式。1)中樞點電壓管理電力系統(tǒng)電壓的監(jiān)視和調整可以通過對中樞點電壓的監(jiān)視和調整來實現(xiàn)。所謂中樞點,是指電力系統(tǒng)中可以反映系統(tǒng)電壓水平的主要發(fā)電廠和變電站的母線,很多負荷都由這些母線供電。若控制了這些中樞點的電壓偏差,也就控制了系統(tǒng)中大部分負荷的電壓偏差。根據(jù)電網運行經驗,為了滿足中樞點供電電力用戶的

21、電壓要求,一定電壓等級的線路的供電距離和供電容量是有一定范圍的。對于中樞點的電壓調整,也可根據(jù)電力網的不同性質,大致確定一個中樞點電壓的變動范圍。2)發(fā)電機調壓發(fā)電機不僅是有功電源,而且也是無功電源,有些發(fā)電機還能通過進相運行吸收無功功率,所以可用調整發(fā)電機端電壓的方式進行調壓?，F(xiàn)在的同步發(fā)電機都裝有自動勵磁調節(jié)設備,其主要功能是自動調整發(fā)電機的機端電壓、分配無功功率,提高發(fā)電機同步運行的穩(wěn)定性。按規(guī)定,發(fā)電機可以在其額定電壓的95% 105%范圍內保持以額定功率運行。這是一種充分利用發(fā)電機設備,不需額外投資的調壓手段。3)變壓器調壓電廠主變和廠變一般采用無載調壓，備變一般情況下采用有載調壓，

22、分接頭數(shù)量不定37個之間，主變的分接頭通常由上級電網調度管理，廠用變分接頭由電廠調度進行管理。變壓器調壓需要兼顧高壓母線電壓和電廠自身的廠用電電壓在合格范圍內。變壓器調壓是充分利用設備本身的調節(jié)電壓的能力，不需要額外投資，應當充分利用這一優(yōu)勢。4）改變電網無功功率分布調壓當線路、變壓器傳輸功率時,會產生電壓損耗。因而如果能改變線路、變壓器等電網元件上的電壓損耗,也就改變了電網各節(jié)點的電壓大小。由電壓損耗表達式U = ( PR +QX ) /U 可知,要改變電壓損耗有2種辦法:一種是改變網絡參數(shù),如串聯(lián)電容,利用串接的電容、電感上電壓相位差180°的特點,抵消部分電抗;另一種是改變電網

23、元件中傳輸?shù)墓β省?.3.2 治理頻率偏差超標的對策治理電力系統(tǒng)頻率偏差超標的主要對策是通過自動或手動方式調整發(fā)電機組的調頻器,調節(jié)電網中的頻率達到一個新的平衡點,進而使電網中的頻率偏差符合國家標準。頻率調整一般包括一次調整和二次調整。1)頻率的一次調整發(fā)電機組原動機的頻率特性和負荷頻率特性的交點就是系統(tǒng)的原始運行點,如圖2 中點O。圖2 頻率的一次調整設在點O運行時,負荷突然增加PLO ,即負荷的頻率特性突然向上移動PLO ,則由于負荷突增時發(fā)電機組功率不能及時隨之變動,機組將減速,系統(tǒng)頻率將下降。在系統(tǒng)頻率下降的同時,發(fā)電機組的功率將因它的調速器的一次調整作用而增大,負荷的功率將因它本身的

24、調節(jié)效應而減少。前者沿原動機的頻率特性向上增加,后者沿負荷的頻率特性向下減少,經過一個衰減的振蕩過程,抵達一新的平衡點,即圖2中點O。2)頻率的二次調整當負荷變動周期較長、幅度較大時,需要借助二次調整。頻率的二次調整就是手動或自動地操作調頻器使發(fā)電機組的頻率特性平行地上下移動,從而使負荷變動引起的頻率偏移可保持在允許范圍內。頻率的二次調整如圖3所示。圖3 頻率的二次調整在圖中,如不進行二次調整,則在負荷增大PLO后,運行點將轉移到O´, 即頻率將下降為fO, 功率將增加為PO。在一次調整的基礎上進行二次調整就是在負荷變動引起的頻率下降f越出允許范圍時,操作調頻器,增加發(fā)電機組發(fā)出的功

25、率,使頻率特性向上移動。設發(fā)電機組增加PGO,則運行點又將從點O轉移到點O。點O對應的頻率為fO,功率為PO,即由于進行了二次調整, 頻率降低由僅有一次調整時的f減少為f,可以供應負荷的功率則由僅有一次調整時的PO增加為PO。顯然,由于進行了二次調整,系統(tǒng)的運行質量得到了改善。4 諧波4.1 諧波標準為了加強我國公用電網諧波的管理,我國公用電網諧波管理的國家標準, 1984年原水利電力部頒發(fā)了電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定,編號為SD1261984。經過近十年的執(zhí)行,我國電網在諧波管理上前進了一大步,1993年7月31日由國家技術監(jiān)督局頒布了關于諧波方面的國家標準,即GB /T 145491993電

26、能質量公用電網諧波,并于1994年3月1日實施。GB /T 145491993規(guī)定了公用電網諧波的允許值、測試方法,適用于交流額定頻率為50Hz,標準電壓為110kV及以下的公用電網。標準電壓為220kV的公用電網可參照110kV執(zhí)行。該標準不適用于暫態(tài)現(xiàn)象和短時間諧波。GB /T 145491993規(guī)定的公用電網諧波電壓(相電壓)限值如表1所示。表1 諧波電壓限值公用連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量(均方根值)不應超過表2中規(guī)定的允許值。表2 注入公共連接點的諧波電流允許值當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時,表2中的諧波電流允許值應經過一定的換算。換算公式為：其中： 公

27、共連接點的各次諧波電流允許限值(A) 基準短路容量下的公共連接點各次諧波電流允許值(A)Sr實際短路容量(MVA)Sj 基準短路容量(MVA)4.2 諧波產生的原理電網在正常情況下，電壓U隨時間t作周期變化，呈正弦規(guī)律，函數(shù)關系為：其中，U、稱為電壓正諧波的三要素。這種正弦波形的基波周期函數(shù)在進行加、減、微分和積分運算時，其結果仍保持正弦周期函數(shù)的特點。但由于非線性負荷的影響，使正弦波形發(fā)生畸變，其形狀可用一系列與基波頻率整數(shù)倍的不同頻率的正弦波形疊加而成。這些為基波頻率整數(shù)倍的高次頻率波，統(tǒng)稱為諧波或高次諧波。非線性負荷及整流性負荷產生諧波的基本原理如下：1）非線性負荷交流電網中的諧波主要是

28、由于非線性特性的負載引起的。正常情況下，供電電壓為純正弦量，若供電給線性的純阻性負載R，則 因此，U、I同樣具有正弦波形。若純正弦電壓供給非線性的純阻性負荷，即R=f(t)，這樣，電阻將隨時間在變化，則： 由于g(t)對sint 進行了調制，使得電流波形發(fā)生了畸變。如果將非線性負荷的電流波形進行傅立葉分解，可得到一系列的波形與正弦波基波。（2）整流性負荷整流性負荷產生諧波的機理，主要基于一系列進行電能交換的裝置是由半導體非線性元件組成的。這些半導體非線性元件可控（或不可控）地輪回導通和關斷，盡管由于電感的存在使這一過程并未產生突變，但造成了交流電源電流回路的波形強行發(fā)生了變化，使得正弦波形產生

29、畸變。4.3諧波源造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產生高次諧波的設備和負荷，稱為諧波源。諧波源可以分為電壓源和電流源，一切非線性設備和負荷都是諧波源。諧波源產生的諧波與其非線性特性有關，主要有：a.鐵磁飽和型：各種鐵心設備，如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性，主要諧波為3、5、7次；b.電子開關型：主要為各種交直流裝置（整流器、逆變器）以及雙向晶閘管可控開關設備等，特征諧波與脈動數(shù)P有關;電弧型：如電爐，其諧波電流具有很大的隨機性，主要諧波為2、3、4、5、7次。在電廠內，如變頻調速裝置、軟起動裝置、不間斷電源系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)、直流充電裝置等，其非線性呈現(xiàn)交流波形的開關切合和換向特性。由于系統(tǒng)施

30、加于負荷的基本電壓不變，諧波負荷通過向電力系統(tǒng)取得一定的電流作功，該電流不因系統(tǒng)外界條件和運行方式而改變。而諧波源固有的非線性伏安特性決定了電流波形的畸變，使其產生的諧波電流與基波電流具有一定的比例，因此，非線性負荷一般都是諧波電流源，向系統(tǒng)注入一定的諧波電流。諧波電流源的諧波內阻抗遠大于系統(tǒng)諧波阻抗，故諧波電流源在系統(tǒng)中一般按恒流源對待，諧波源注入電力系統(tǒng)的諧波電流，在系統(tǒng)的阻抗上產生相應的諧波壓降，形成系統(tǒng)內部電壓，使原有的正弦波形電壓產生畸變。1）發(fā)電機的諧波發(fā)電機實際運行時，磁極磁場并非完全按正弦分布，所有感應電勢也不完全是正弦波形，含有一定的諧波成分，因此發(fā)電機的輸出電壓本身就含有一

31、定的諧波。發(fā)電機產生的諧波電壓的幅值和頻率取決于發(fā)電機本身的結構和工作狀態(tài)，它不隨外接阻抗而改變，因此可以看成是恒壓源。正常設計的發(fā)電機，由于采用了許多消弱諧波電勢的措施，其電勢的諧波含量是很小的。2）變壓器的諧波變壓器激磁回路實質上是具有鐵心線圈的電路，若不計磁滯影響，當鐵心未飽和時，電路是線性，電壓和電流均為正弦波。當鐵心飽和后，它就是非線性的，飽和程度越深，波形畸變越嚴重，其產生的諧波電流包含在激磁電流中。變壓器的激磁電流只含有奇次諧波，其中以3次諧波含量最大，可達額定電流的0.5。激磁電流的諧波含量是與磁路的結構形式、變壓器的飽和程度相聯(lián)系的。正常時，電壓為額定電壓，鐵心工作點在線性范

32、圍內，諧波含量不大?？蛰d或輕載時電壓升高，鐵心工作進入飽和區(qū)，諧波含量會大大增加。3）整流電路的諧波常見的整流電路主要有兩種：阻感負載整流電路和帶濾波電容的整流電路。整流器件不是二極管就是晶閘管，電路結構以橋式為最多。阻感性負載整流電路長期以來應用最廣，有全控橋式、半控橋式，多相整流和直流側帶二極管整流等。4.5 諧波的危害 在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和運輸部門中，非線性電力負荷在大量增加。隨著電力電子技術的發(fā)展，晶閘管換流和變頻技術得到廣泛的應用。例如：冶金、化工、礦山部門大量使用晶閘管整流電源；工業(yè)中大量使用變頻調速裝置；電氣化鐵路中采用交流單相整流供電的機車；高壓大容量直流輸電中的換流站；家用電器（

33、電視機、電冰箱、空凋、電子節(jié)能燈）等等。煉鋼電弧爐的容量不斷擴大，單臺容量由過去兒噸發(fā)展到幾百噸，相應的電爐變壓器容量也由幾個兆伏·安發(fā)展到幾十甚至一二百兆伏·安。此外，工業(yè)中廣泛使用的電弧和接觸焊設備、礦熱爐、硅鐵爐、中頻爐等也均屬非線性電力負荷。4.5.1 對電力設備的影響1）對電容器的危害當電網存在諧波時,投入電容器后其端電壓增大,通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對于膜紙復合介質電容器,允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對于全膜電容器,允許有諧波時的損耗功率為無諧波時的1.43倍。如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器

34、過電流和過負荷,損耗功率超過上述值,使電容器異常發(fā)熱,在電場和溫度的作用下絕緣介質會加速老化。尤其是電容器投入在電壓已經畸變的電網中時,可能使電網的諧波加劇,即產生諧波擴大現(xiàn)象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖項波形,尖頂電壓波易在介質中誘發(fā)局部放電,且由于電壓變化率大,局部放電強度大,對絕緣介質能起到加速老化的作用,從而縮短電容器的使用壽命。一般來說,電壓每升高10% ,電容器的壽命就會縮短1 /2左右。再者,在諧波嚴重的情況下,還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。2）對電力變壓器的危害諧波使變壓器的銅耗增大,其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器

35、的鐵耗增大,這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加,諧波使電壓的波形變得越差,則磁滯損耗越大。由于以上兩方面的損耗增加,減少變壓器的實際使用容量,或者說在選擇變壓器額定容量時,需要考慮電網中的諧波含量的影響。除此之外,諧波還導致變壓器噪聲增大,變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁滯伸縮引起的。隨著諧波次數(shù)的增加,振動頻率在1 kHz左右的成分使混雜噪聲增加,有時還發(fā)出金屬聲。3）對電力電纜的危害由于諧波次數(shù)高頻率上升,再加之電纜導體截面積越大集膚效應越明顯,從而導致導體的交流電阻增大,使得電纜的允許通過電流減小。另外,電纜的電阻、系統(tǒng)母線側及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián),提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)

36、并聯(lián),在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。4）對用電設備的危害諧波對異步電動機的影響,主要是增加電動機的附加損耗,降低效率,嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場,形成與電動機旋轉方向相反的轉矩,起制動作用,從而減少電動機的出力。另外,電動機中的諧波電流,當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動,發(fā)出很大的噪聲。5）對低壓開關設備的危害對于配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱,同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器,由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發(fā)熱,使得額定電流降低與脫扣電流降

37、低;電子型的斷路器,諧波也要使其額定電流降低,尤其是檢測峰值的電子斷路器,額定電流降低得更多。對于漏電斷路器來說,由于諧波泄漏電流的作用,可能使斷路器異常發(fā)熱,出現(xiàn)誤動作或不動作。4.3.2 對繼電保護的影響電力系統(tǒng)諧波會改變繼電保護設備的工作特性。由于不同類型繼電器的設計性能和工作原理不同,諧波的影響程度也不同。1）諧波對于電磁型繼電器的影響不大,在諧波含量<40%時,其整定值誤差將10%。但是在動態(tài)情況下會有很大影響。對電流繼電器而言，諧波存在時,將引起保護拒動;對電壓繼電器而言,當含有諧波的畸變電壓作用于繼電器時,動作值總是比基波時的整定值要大,因而對過電壓繼電器可能會拒動,對欠電

38、壓繼電器卻又可能會誤動。如在投切空載變壓器時會產生諧波含量很高的勵磁涌流, 高次諧波分量(主要是2 次諧波) 會造成繼電器誤動作而使斷路器跳閘。 感應型繼電器的可動部分慣性較大, 動作速度慢, 諧波轉矩對其影響并不嚴重。整流型繼電器的主要特點是將輸入交流量進行整流,或者將幾個輸入交流量組合后進行整流,繼電器的動作特性取決于整流后的電壓信號(或電流信號)及其動作判據(jù)，在某些情況下,如輸電線路發(fā)生接地短路時,由于電流中諧波分量比較大,會導致整流型保護裝置拒動。靜態(tài)保護所采用的繼電器包括通稱的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器,主要由無機械運動的電子器件構成。由于在抗干擾和消除諧波影響方面具有較好的有效性, 靜

39、態(tài)保護已日益受到人們的關注。對于按相位比較原理構成的保護裝置(如高頻相差保護和差動保護), 當波形出現(xiàn)諧波畸變時,過零檢測易于出錯,從而造成保護不正確動作。例如在相差保護中,短路時產生的直流分量與高次諧波分量疊加的結果,使半波比相器有輸出,從而導致保護誤動。433對通信的干擾 諧波通過電磁感應干擾通信。通常20005000Hz的諧波引起通訊噪聲，而 1000Hz以上的諧波導致電話回路信號的誤動。諧波干擾的強度取決于諧波電壓、電流、頻率的大小以及輸電線和通信線的距離、并架長度等。434對電度計量及常用儀表指示的影響研究證明，感應式電度表對高次諧波有負的頻率誤差，而電子式電度表的頻響特性一般較好。

40、但由于諧波功率在諧波源負荷（如整流器）中和基波功率流向相反，“因此對這類用戶電度計量將偏?。环粗?，對于一般線性負荷，電度計量大體上等于基波和諧波電度之和。故諧波電度增加了這些用戶的電費支出。在電網正常條件下，諧波含量不太大（電壓總畸變一般不大于 5）時，各型常用儀表的指示，大致可以與儀表的精確等級相符。但在嚴重畸變（電流畸變率有時很大）時誤差將變大（一般針對平均值響應的儀表，隨著高頻成分增加，對同一有效值的指示會明顯下降）。舊式電磁系儀表頻率特性最差；電動系儀表頻率特性較好；而數(shù)字式測量儀表的指示一般具有精度高、頻帶寬、不受波形影響等優(yōu)點。435對電網損耗的影響 諧波在電力系統(tǒng)和用戶電氣設備上

41、要造成附加損耗。諧波功率本身可以說完全是損耗，從而增大了網損。研究指出，若諧波電壓和電流都控制在一般標準范圍時，則可估出非線性用戶注入電網的諧波功率和其用電負荷之比是在0.1這個數(shù)量級，這和某些實測數(shù)據(jù)相符。但若諧波過大或發(fā)生諧振，則損耗將大大增加。若一個總負荷 5000 兆瓦的大電網，饋供各類非線性負荷共 1000 兆瓦，后者注入電網的諧波功率平均為0.2，則總的諧波損耗平均為2兆瓦，年損失電量達 1752萬千瓦時。因此諧波對網損的影響不能忽視。436諧振電力系統(tǒng)中廣泛使用補償功率因數(shù)的電容器，同時設備和線路存在分布電容,它們與系統(tǒng)的感性部分（例如線路、變壓器的電抗）組合，在一定的頻率下，可

42、能存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當系統(tǒng)中該次頻率的諧波足夠大時，就會造成危險的諧波過電壓或過電流。通常把諧波源看成為恒定電流源。最常見的諧波諧振是在接有諧波源的母線上，因為母線上除諧波源外還有并聯(lián)電容器、電纜、供電變壓器及電動機等負載，而且這些設備處于經常變動中，容易構成諧振條件。最簡單的情況是當直接接于母線上電容器的容量為Qc，而母線的短路容量為Sk時，則產生并聯(lián)諧振的諧波次數(shù)h0可由下式近似決定： 例如，當QC=0.1SK時，則可能發(fā)生接近于3次諧波的諧振。此時電容器和電網均將流過很大的3次諧波電流。該次諧波疊加在基波上就產生很高過電壓，可能導致設備損壞。5 發(fā)電廠諧波概述5.1 諧波源1）發(fā)

43、電機出口發(fā)電機實際運行時，磁極磁場并非完全按正弦分布，所以感應電勢也不完全是正弦波形，含有一定諧波成分，因此發(fā)電機的輸出電壓本身就有一定的諧波，正常設計的發(fā)電機，由于采用了許多消弱諧波電勢的措施，其電勢諧波含量是很小的。發(fā)電機勵磁電流中含有一定2倍頻率分量時，就能使發(fā)電機在定子電流中產生5次諧波電流；與電廠相連接的電網系統(tǒng)中含有諧波分量時，通過不同電壓等級間的滲透，可使發(fā)電機機端具有一定的諧波含量，例如1998年長山熱電廠在#6#9發(fā)電機出口檢出5次諧波，含量為1.3%1.5%。2）廠用6kV變頻設備電廠發(fā)出電能的相當一部份在電廠內消耗掉，是一個用電大戶，通常的廠用電率在4%8%，具有負荷重要

44、程度高、集中度高的特點。隨著大功率高壓電動機變頻改造，例如凝泵、一次風機等，使廠用電系統(tǒng)受到諧波污染的可能性和程度不斷增加，雖然從原理上目前大部分高壓變頻器采用隔離變壓器、多脈沖整流等降低低次諧波的技術措施，努力使變頻器諧波降至最小，但其實際效果仍需驗證；廠用變壓器在非線性區(qū)運行時，會產生諧波，污染廠用電系統(tǒng)；燃機發(fā)電機的變頻調速裝置，在發(fā)電機起機過程中，會產生較大分量的諧波；不間斷電源裝置，工作原理是整流-逆變的過程，會產生一定數(shù)量的諧波。廠用電諧波監(jiān)測，對電廠設備安全穩(wěn)定運行來講，非常重要。3）廠用400V變頻及整流設備 空冷機組大量采用400V變頻器，會產生諧波；電除塵器采用的整流變也是

45、諧波源之一。5.2 變頻裝置的諧波分析變頻器有3種不同的結構方式：（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制電路上協(xié)調配合；（2）用不控整流器整流斬波器變壓，用逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調壓；（3）用不控整流器整流，用PWM 逆變器變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件（如IGBT 等），輸出波形才會非常逼近正弦波。無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式都不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加

46、在電網的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經傅立葉（M .Fourier）級數(shù)分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次諧波與奇次諧波，第3、5、7、9 等為奇次諧波，而2、4、6、8 等為偶次諧波，如基波為50Hz 時，2 次諧波為100Hz，3

47、 次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、9、11、13、17、19 等，變頻器主要產生5、7 次諧波。5.3 6kV變頻設備的諧波水平廠用電動機（泵）變頻改造后，為評估變頻電源對廠用電諧波污染的情況，部分廠在變頻改造后，對6kV廠用進行了電進行了諧波測試，變頻改造設備、變頻器廠家及產品型號、測試內容如下表所示。 表、變頻改造及諧波測試情況電廠變頻改造電機變頻器型號/廠家諧波測試內容上安#3機組凝結水泵額定功率800kW

48、利德華福/HARVERT-A06/105凝結泵A/B變頻運行時，機組不同負荷時6kV母線諧波電壓及變頻器注入6kV母線的諧波電流。凝結泵A/B變頻啟動及運行時，變頻器輸出電壓和電流波形測量井岡山凝結水泵1000kW/6kV北京新電創(chuàng)拓科技有限公司Diamond-HV6000V/1250KVA#1、#2機組6kV母線諧波電壓，各測試一段邯峰凝結水泵2600kW/6kV一次風機利德華福HARSVERTA06/300#1、#2機組各4個6kV段母線相電壓諧波、相電流諧波、三相不平衡度楊柳青5爐吸風機1600 kW東方日立（DHC）電控設備有限公司6kV A、B段母線線電壓諧波，6kV A、B段母線總

49、開關電流諧波諧波含量情況如下：1）上安：#3發(fā)電機滿負荷(300MW)運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.25A，第5次諧波電流含量0.38A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.47%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量1.22A，第5次諧波電流含量1.33A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.49%。#3發(fā)電機負荷235MW運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.38A，第5次諧波電流含量0.38A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.48%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量0.53A，第5次諧波電流含量1.04A， 6kV B母線電壓總諧波畸變率0.48%。#3發(fā)電機低負荷（162MW）運行時，工頻電源供電的凝結泵B工作時，6318B開關電流的第3次諧波電流含量0.41A，第5次諧波電流含量0.28A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.46%；變頻電源供電的凝結泵A工作時，6318A開關電流的第3次諧波電流含量0.71A，第5次諧波電流含量0.78A，6kV B母線電壓總諧波畸變率0.47%。 測試表