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港口供配电系统中谐波的危害及防止

摘　要:简述港口企业电气设备中典型非线性设备———变压器、变流器、气体放电类照明器具产生谐波的原因,分析谐波对供配电系统和用电设备运行造成的危害,以及对电力、电能测量准确度的影响。最后提出了设置滤波器、采用Δ- Y11联结组别变压器、新型整流电路等抑制谐波的措施。
关键词:港口供配电系统;谐波;危害与防止

　　近年来,我国港口企业大量地采用了硅整流及可控硅变流设备。这导致供配电质量的严重降低。最为严重的是由这些设备所产生的多次谐波与供配电网络中的系统容抗与系统阻抗在一定参数条件配合下形成串联或并联谐振,而导致系统中某些设备的损毁事故。谐波对港口企业供配电系统的危害已引起人们的重视,抑制谐波,提高供配电能质量已刻不容缓。
本文旨在讨论谐波的产生及其防止方法。
1 　谐波产生的原因
我国的供电电源使用的是50Hz 正弦波交流电,50Hz就被称为基波,由发电厂发出的电能基本上就是基波电源。但由于各种原因,用户在用电时,使用的电源除了基波外,还有100Hz、150Hz、250Hz ⋯⋯等频率的分量,这些分量就被称为谐波。谐波通常是由非线性供用电设备所产生的,如变压
器、整流器、变流器等,这些设备在吸收基波功率的同时,也产生谐波电流及谐波功率。
1. 1 　变压器产生谐波
变压器的非线性是因其铁芯材料具有非线性磁化曲线引起的。变压器的铁芯磁化曲线除了一般线性区以外,还有饱和区、死区和滞后区这3 类典型的非线性区,它以原点对称,在正弦波作用下,励磁电流为对称奇函数,满足下式:
f (ωt +π) = - f (ωt) (1)
激励源为:
e (t) = ASin(ωt) (2)时其输出可以展开为下列傅立叶级数:f (ωt +π) = A0 + Σ
∞
n = 1
[AnCos(nωt) + BnSin(nωt) ]
= A0 + Σ
∞
n = 1
XnSin(nωt + <n) ] (3)
式中A0 为直流分量,A0 = 0
An =
1 π∫2π
0
f (ωt +π) Cosnωtd(ωt)
Bn =
1 π∫2π
0
f (ωt +π) Sinnωtd(ωt)
Xn = A2
n + B2
n
<
n = tg- 1 An
Bn
根据式(1) 、式(3) 只有奇次项(1、3、5、7、9 ⋯⋯) ,而对于三相对称的变压器来说,其3 的奇数倍(即3 次、9 次、15 次、21 次⋯⋯) 谐波均为零序,会受到变压器接线方式的影响。故可以认为变压器是1 种只产生奇次谐波的电流源型的谐波源。它的谐波次数还受其一、二次侧接线方式(Δ或Y) 的影响,大小则与其磁路的结构形式,铁芯的饱和程度等有关。铁芯的饱和程度越高,变压器工作点偏离线性工作区越远,产生的谐波电流就越大。
1. 2 　变流器设备产生谐波
由于生产与科技的发展,港口企业经常大量使用整流和变频等变流设备,目前的电气设备都采用开关型电源,其电源侧即是大功率整流电路,其输出侧为了使负载得到更好的控制与运行特性,则使用变压与变频电路。此类设备所生产的谐波既有电流源型的,也有电压源型的。其数学模型满足式(1) 、式(2) 、式(3) 。因此,其谐波分量也仅有奇次谐波,有资料显示,此类设备所产生的谐波分量有时可高达基波分量的30 %。由于变流设备功率大(30kW～20 000kW) 、数量多,因此,它对港口企业的供配电系统的影响也就极大。
1. 3 　气体放电类电光源产生谐波
我国港口企业照明基本采用气体放电类电光源,如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。测量及分析气体放电类光源的全伏安特性可知,此类光源的非线性非常严重,有负的伏安特性。气体放电类电光源使用时,必须与电阻或电感串联,使其综合伏安特性不再负,才能正常工作,串联的电阻或电感被称为镇流器。其非线性极其严重,3 次谐波含量占其基波含量的20 %以上。由于其特性为对称奇函数,满足式(1) 、(2) 、(3) 。因此,也只含有奇次谐波。它属于电流源型谐波源。气体放电类电光源由于数量巨大,其产生的谐波对供配电系统产生的影响也就十分巨大。在整流设备还未广泛使用的时期,影响供配电系统的谐波主要是由此类电光源产生。
1. 4 　计算机及其他办公设备产生谐波
计算机及其他办公设备的电源基本上都是开关电源,因此都会产生谐波。由于此类设备的大量使用,对电网的谐波干扰也就十分严重。
2 　谐波的危害
目前由于产生谐波的装置量大面广,谐波使港口企业的生产面临严重的干扰与破坏,谐波对港口企业供配电系统的危害主要表现在以下几个方面。
2. 1 　影响供配电系统的正常与稳定运行
港口企业供配电系统中的电力变压器、电力线路、驱动装置等通常采用继电保护措施。在故障情况下(过载、短路、接地谐波绝缘损坏等) 保障系统和设备的安全。其检测部份常采用电磁式继电器、感应式继电器和晶体管集成电路型继电器。其中电磁式继电器、感应式继电器对10 %含量以下的谐波并不敏感,但谐波含量达到40 %时将导致继电器保护系统误动作。晶体管集成电路继电器具有许多优点,是今后发展的方向,但其采用的整流取样电路极易受到谐波的影响,产生拒动或误动作。另外,
有些继电器由于电路设计的原因也会在谐波过大的情况下改变其特性,而使其产生拒动或误动作。因此,谐波的泛滥将会严重地威胁工矿企业的供配电系统安全、可靠、稳定的运行。
2. 2 　增加港口企业供配电系统的附加损失
港口企业低压配电系统中,接有大量的变流设备和气体放电类电光源,将产生大量的谐波,其3 次谐波分量最大,占基波分量的40 %以上,这些谐波在低压配电系统的中性线直接叠加,将导致中性线或保护性中性线上的电流值大大超过相电流,如此会使其长期过热,损坏绝缘,引起火灾事故。我单位大型港口机械设备基本都采用大功率变流装置进行作业生产,配电系统中有大量高次谐波,由于谐波的作用使一些供电电缆发热而损坏。
2. 3 　影响供配电系统设备和用电设备的正常工作
我国供配电系统设备和用电设备设计时均以50Hz正弦波为额定条件,如谐波过大将会导致额定工作点偏移,造成设备的功能不能正常发挥,或者非正常运行,甚至损坏。如变压器和电动机在谐波的作用下会产生附加损失、过热、机械振动、噪声以及过电压等。电力电容器、电抗器和电力电缆等会在谐波过大时过热,甚至烧毁。断路器、自动开关、接触器等开关设备在谐波下会降低其断流能力。尤其是电力电容器是供配电系统中受谐波危害最大的设备,这是因为电容器容抗值与频率成反比:
XC =1ωC（4)
在高次谐波作用下,因电容器N 次谐波容抗是基波容抗值的几分之一,即使谐波电压值不是很高,因电流波形畸变加剧,也可产生显著的谐波电流,造成电容器过电流。此外,由于电容器容抗与系统阻抗或负载阻抗在一定参数配合下可能产生谐振,从而放大谐波电流,产生极大的过电流使电容器烧毁。
2. 4 　影响电力测量和电能计量的准确性
我国目前的电力测量与电能计量仪表都采取电磁型、电动型、磁电型和感应型几种。其中电磁型和电动型对谐波不是很敏感,但磁电型和感应型受谐波的影响较大,特别是电能仪表多采用感应型,在谐波分量较大时,会产生电能计量的混乱。
2. 5 　对自动控制系统等其它系统的干扰与危害
港口企业的生产过程多为自动控制的生产系统,其中包括计算机、继电器回路、网络系统、电讯系统等,电力线路通过电磁感应、静电感应和传导等几种方式耦合到这些系统中,而对这些系统产生极大的干扰,从而危害这些系统的正常运行,同时也会破坏这些系统中的元器件。电磁感应、静电感应的耦合强度与干扰源的频率成正比。谐波具有较强的频率,故谐波的干扰将大大超过基波的干扰。连云港建港指挥部就曾经发生过由于某一时段的谐波干扰而烧毁计算机控制系统的电源模块与CPU 模块
的重大损失。谐波的传导是通过公共接地耦合的,在谐波情况下,有大量不平衡电流入接地极,从而干扰弱电系统。
3 　谐波危害的抑制
为了控制谐波的泛滥、净化供配电系统波形,提高供配电系统电能质量和效率,国家技术监督局在1993 年发布了国家标准GB/ T14549 - 94《电能质量- 公用电网谐波》。该标准规定了公用电网谐波电压(机电压) 限值(见表1) 。
表1 　公用电网谐波电压限值表(摘要)
电网额定电压
(kV)
电压总谐波
畸变率( %)
各次谐波电压含有率( %)
奇次偶次
0. 38 5. 0 4. 0 2. 0
6 、10 4. 0 3. 2 1. 75
35、63 3. 0 2 1
110 1. 5 1 0. 5
表1 中的总谐波畸变率(THD) 是指:周期性交流量中的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根之比(用百分数表示) 。电压总谐波畸变率以THDu 表示,电流总谐波畸变率以UHDi 表示:
THDu
Σ ∞
h = 2
(Uh) 2
U1
×100 % (5)
UHDi
Σ ∞
h = 2
( Ih) 2
I1
×100 % (6)
式中:Uh —第h 次谐波电压;
Ui —基波电压(方均根值) ;
Ih —第h 次谐波电流;
I1 —基波电流(方均根值) 。
港口企业供配电系统中的谐波主要是以奇次电流源型谐波为主。谐波的抑制方法主要分补偿式方法和消除式方法2 种,同时包含有治标和治本的目的。补偿式方法是设置吸收装置来吸收谐波。消除式方法是通过改变谐波源的工作方式和工作特性使其少产生甚至不产生谐波。港口企业供配电系统中常用的谐波抑制措施有如下几种:
(1) 设置LC 滤波器
LC滤波器是传统的谐波补偿装置,思路就来自于电子电路中滤波器电路,不过是将其移植应用于供配电系统中。在供配电系统中加装电抗器L 与电容器C 组成LC调谐滤波器。既可以补偿无功功率又可以吸收谐波。这一方法的优点是简单易行,只要在供配电系统中的无功功率补偿电容器回路串联电抗器即可构成。但也有其缺点,即只能补偿某一固定频率的谐波,同时又容易与系统阻抗与负载负阻构成谐振器从而导致谐波放大,从而摧毁电容器。
串联电抗器的额定感抗值由下式计算:
XL =α
XC
n2 (7)
式中:n —可能产生的最低谐波次数;
α—可靠系数,一般取1. 2～1. 5 ;
XL —感抗值;
XC —容抗值。
港口企业供配电系统中,谐波最低次数为3 次谐波和5 次谐波,将其代入式(6) 中,可得额定感抗值:
3 次谐波为主时: 　　XL = (13. 35 %～16. 7 %) XC ;
5 次谐波为主时: 　　XL = (4. 8 %～6 %) XC。
(2) 设置有源滤波器
有源滤波器(APF) 是近年来发展迅速的新技术。它采用了实时检测的闭环运行方式,使得有源滤波器能动态地抑制谐波并能补偿大小和频率都变化的谐波。有源滤波器根据电路组成形式和接入电网的方式不同,分为电压源型和电流源型,串联型和并联型。可以根据供配电系统的实际情况来选用适用的形式。有源滤波器的显著优点使之成为未来谐波补偿的发展方向,它将取代传统的LC 滤波器,其缺点是目前价格太高不易推广使用。
(3) 增加变流装置的整流流相数
使用和制造大型硅整流和可控硅装置的企业,在设计和使用时,增加整流相数。将现在普遍使用的三相整流、六相整流和十二相整流发展到十八相整流和二十四相整流甚或更多相整流。这样就使对供配电系统产生较大危害的3 次、5 次、7 次谐波极大的减少,这是一种极好的治本方法。
(4) 采用Δ- Y11联结组别变压器
这种变压器一次侧为Δ形联结,3 次奇数倍谐波在原边Δ 形绕组内形成环流,不至于将谐波电流注入下级供电网,有利于抑制谐波对公共电网的污染。此外,Δ - Y11联结组别变压器还能提供更小的零序阻抗,有利于切除单相对地短路故障。
参考文献:
[1 ] 　张云祥1 供电网高次谐波并联电容器的危害及防止
措施[J ]1 电工技术,1987 ,91
[2 ] 　王凌云1 民用建筑配电系统中的谐波及其抑制[J ]1
电世界,2000 ,71