谐波治理与无源电力滤波器 (上)

近年来,随着工业的快速发展,电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加,其接入电网后会向供电系统注入大量谐波,造成附加的能量损耗以及一系列的谐波危害。

无源电力滤波器抑制电力谐波具有技术成熟、简单有效、价格较低等优点,已得到日益广泛的应用,是治理电力谐波的有效措施。近年来发展的有源滤波器的滤波效果可以不受系统运行方式变化的影响,而且能连续消除谐波,是电力滤波器的发展趋势。

1 电力谐波的产生与危害

当正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时,其电压和电流仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路上时,电流就变成了非正弦波,非正弦波电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变成非正弦波。

所谓“谐波”是指周期性电气分量按傅里叶级数分解,得到的次数大于1的分量。由系统侧观察非线性负载,其负载特性就如同一个线性负载和一系列谐波的发电机,如图1所示。非线性负载从电网中吸收的功率,大部分作为谐波功率返送回系统,造成附加的能量损耗及一系列的谐波危害。

图2为实测畸变电流波形,图3为畸变电流波形的谐波分析示意图。该负荷为典型的三相桥式6脉冲整流设备,其谐波含量以5次、7次、11次、13次为主,从图3可以看出,谐波次数越高,谐波幅值越小。

谐波的危害主要包括以下几个方面:

(1)谐波对旋转电机的影响

电动机吸收谐波电流会引起附加损耗,产生机械振动和噪声,引起谐波过电压。

(2)谐波对变压器的影响

较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热,并导致局部过热,谐波会使变压器的噪音增大。

(3)谐波对输电电缆的影响

由于电缆的分布电容对谐波有放大作用,在电网低谷、电网电压升高时使谐波电压升高,造成电缆局部放电、介损和温升增大,易导致电缆故障;

(4)谐波对通信的干扰和影响

谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导等构成对通信线路的干扰。

(5)谐波对电度计量的影响

对于采用感应系机构的电度表,谐波会引起电度计量的误差,其结果将导致:产生大量谐波的用户少付电费,而线性用户反而多付电费。

(6)谐波对继电保护、自动装置等的影响

在谐波和负序的共同作用下,电力系统中以负序滤过器为启动元件的多种保护和自动装置会产生误动。

2 有关电力系统谐波的国家标准

以上分析表明,谐波有百害而无一利,对电网和大量电力用户设备的安全运行是一种潜在的威胁,为了有效地控制这种危害的发展和减少其危害的程度,国家制定了GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》标准来治理上述“公害”。国标中不仅要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外,还要求用户注入公用电网的谐波电流不得超出国标允许值,否则应采取治理措施。

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