諧波

科學知識 9547 1947 2014-11-24

「諧波」一詞起源於聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎。傅裡葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國,由於使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。到了50年代和60年代,由於高壓直流輸電技術的發展,發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大量論文。

70年代以來,由於電力電子技術的飛速發展,各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛,諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議,不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

供電系統諧波的定義是對週期性非正弦電量進行傅立葉級數分解,除了得到與電網基波頻率相同的份量,還得到一系列大於電網基波頻率的份量,這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數。電網中有時也存在非整數倍諧波,稱為非諧波(Non-harmonics)或分數諧波。諧波實際上是一種干擾量,使電網受到「污染」。電工技術領域主要研究諧波的發生、傳輸、測量、危害及抑制,其頻率範圍一般為2≤n≤40。

諧波是怎麼產生的?

電網諧波來自於3個方面:

一是發電源質量不高產生諧波:

發電機由於三相繞組在製作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因,發電源多少也會產生一些諧波,但一般來說很少。

二是輸配電系統產生諧波:

輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波,由於變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波電流也就越大,其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

三是用電設備產生的諧波:

晶閘管整流設備。由於晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網造成了大量的諧波。我們知道,晶閘管整流裝置採用移相控制,從電網吸收的是缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈衝整流器,也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明:由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用於風機、水泵、電梯等設備中,由於採用了相位控制,諧波成份很複雜,除含有整數次諧波外,還含有分數次諧波,這類裝置的功率一般較大,隨著變頻調速的發展,對電網造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由於加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩定,引起三相負荷不平衡,產生諧波電流,經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是27次的諧波,平均可達基波的8%20%,最大可達45%。

氣體放電類電光源。螢光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬於氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性,可知其非線性十分嚴重,有的還含有負的伏安特性,它們會給電網造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等,因具有調壓整流裝置,會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中,因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小,但數量巨大,也是諧波的主要來源之一。

諧波的危害

1.對供配電線路的危害

(1)影響線路的穩定運行

供配電系統中的電力線路與電力變壓器一般採用電磁式繼電器、感應式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護,使得在故障情況下保證線路與設備的安全。但由於電磁式繼電器與感應式繼電器對10%以下含量高達40%時又導致繼電保護誤動作,因而在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用。晶體管繼電器雖然具有許多優點,但由於採用了整流取樣電路,容易受諧波影響,產生誤動或拒動。這樣,諧波將嚴重威脅供配電系統的穩定與安全運行。

(2)影響電網的質量

電力系統中的諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變。如民用配電系統中的中性線,由於螢光燈、調光燈、計算機等負載,會產生大量的奇次諧波,其中3次諧波的含量較多,可達40%;三相配電線路中,相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加,使中性線的電流值可能超過相線上的電流。另外,相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率與無功功率,從而降低電網電壓,浪費電網的容量。

2.對電力設備的危害

(1)對電力電容器的危害

當電網存在諧波時,投入電容器後其端電壓增大,通過電容器的電流增加得更大,使電容器損耗功率增加。對於膜紙復合介質電容器,雖然允許有諧波時的損耗功率為無諧波時損耗功率的1.38倍;對於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,但如果諧波含量較高,超出電容器允許條件,就會使電容器過電流和過負荷,損耗功率超過上述值,使電容器異常發熱,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,還可能使電網的諧波加劇,即產生諧波擴大現象。另外,諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形,尖頂電壓波易在介質中誘發局部放電,且由於電壓變化率大,局部放電強度大,對絕緣介質更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%,電容器的壽命就要縮短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通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大,這主要表現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。同時由於以上兩方面的損耗增加,因此要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留出電網中的諧波含量。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於鐵心的磁致伸縮引起的,隨著諧波次數的增加,振動頻率在1KHZ左右的成分使混雜噪聲增加,有時還發出金屬聲。

3)對電力電纜的危害

由於諧波次數高頻率上升,再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯,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、系統母線側及線路感抗與系統串聯,提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統並聯,在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

(4)對用電設備的危害

對電動機的危害

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,發出很大的噪聲。

(5)對低壓開關設備的危害

對於配電用斷路器來說,全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱,同時由於對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難,且諧波次數越高影響越大;熱磁型的斷路器,由於導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發熱,使得額定電流降低與脫扣電流降低;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。由此可知,上述三種配電斷路器都可能因諧波產生。

對於漏電斷路器來說,由於諧波匯漏電流的作用,可能使斷路器異常發熱,出現誤動作或不動作。對於電磁接角器來說,諧波電流使磁體部件溫升增大,影響接點,線圈溫度升高使額定電流降低。對於熱繼電器來說,因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。

(6)對弱電系統設備的干擾

對於計算機網絡、通信、有線電視、報警與樓宇自動化等弱電設備,電力系統中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中,產生干擾。其中電感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比,傳導則通過公共接地耦合,有大量不平衡電流流入接地極,從而干擾弱電系統。

(7)影響電力測量的準確性

目前採用的電力測量儀表中有磁電型和感應型,它們受諧波的影響較大。特別是電能表(多採用感應型),當諧波較大時將產生計量混亂,測量不準確。

(8)諧波對人體有影響

從人體生理學來說,人體細胞在受到刺激興奮時,會在細胞膜靜息電位基礎上發生快速電波動或可逆翻轉,其頻率如果與諧波頻率相接近,電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

當電網的諧波污染程度小於國家標準的規定時,通常不會對系統造成影響。隨著污染程度的增加,諧波的影響就逐漸顯現出來。在諧波嚴重超標的情況下,如果不進行諧波治理,往往會產生很嚴重的後果。

諧波源的特性非常複雜,因為諧波的產生不僅僅取決於產生諧波的負荷本身,還與電網的短路容量、電網的組成形勢以及電網中的其他負荷的性質有關。因此濾波器無法做成定型產品,必須通過我司技術人員對諧波源現場情況的測試,然後根據現場測試結果進行專門設計。



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