电网谐波的危害及抑制技术(编辑修改稿)

电网谐波的危害及抑制技术(编辑修改稿)内容摘要：

波研究方向逐步转向有源滤波器。 （ 2） 有源滤波器 早在 70 年代初期，日本学者就提出了有源滤波器 APF（ Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件 向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。 与无源滤波器相比，APF 具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；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；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。 （ 3） 加装静止无功补偿装置 快速变化的谐波源，如：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。 10 受端治理措施 改善供电环境，选择合理的供电方式 一般当电网短路容量大于谐波源供电变压器容量 20 倍时，其产生的高次谐波对系统就不会有危险的影响，产生的谐波电压、谐波电流也在规定值以下 I 删。 高一级电网的短路容量均大于同系统低一级电网的短路容量，因此将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，可以减少谐波对系统或其它设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。 保持负荷的三相平衡，能有效减少三次谐波。 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，有助于集中抑制和消除谐波。 例如，将母线分为三段：把所有大、中型晶闸管整流装置和中频装置集中在一段母线上，其它不产生谐波的负荷和照明由另两段母线供电。 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。 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。 抑制电容器对谐波电流放大方法有： （ 1）改变电容器的安装位置，安装点与电源间的感抗就不同，所引发谐振的频率也不同。 选择合式的安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。 （ 2）改变与电容器的串联电抗器，也就相当于改变了系统阻抗 ，可以避免谐波电流放大。 （ 3）限定电容器组的投入容量，可以有效减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。 （ 4）将电容器组的某些支路改为滤波器。 减少发电机谐波电动势畸变率 对于作为电力系统电源的同步发 电机，提供符合标准的正弦波形电能质量是对它的基本要求。 然而由于气隙磁场实际上不完全按正弦分布，产生的感应电动势中必然存在各次谐波。 然而，在发电机制造上，可以采取一系列措施来消除或减少谐波电动势： ①星形连接不会出现三次或三的倍数次的各奇次谐波，因此，现代同步电机多采 用星形连接。 ②凸极同步发电机采用适当极靴宽度和不均匀气隙长度，可使气隙磁场波形尽可能接近正弦分布，减少谐波电动势产生。 11 ③采用短距绕组，增加每极每相槽数，可减少谐波电动势产生。 ④水轮发电机等多极电机，转子励磁绕组常采用分数槽绕组，实现了极对与极对之间的分布，减少了磁势中的谐波分量。 采取以上措施后，目前发电机的谐波电动势畸变率小于 1％，一般可以忽略不计。 变压器采取措施，抑制谐波产生 变压器绕组如有一侧接成三角形，可以有效消除三次及其倍数次谐波，及时停运空载变压器，选用 有载调压变压器，可以及时调整变压器母线电压，使变压器不致于过激磁，从而减少谐波产生。 提 高设备抗谐波干扰能力 提高设备抗谐波干扰能力，使其在谐波一定限度环境中能够正常工作，研制新型 抗谐波设备。 改善谐波保护性能 对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。 主动治理谐波的措施 增加整流装置的脉动数。 整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动次数 P有关， h=kp177。 l(k=l， 2， 3.)。 当脉动数增加时，整 流器产生的谐波次数也增高，而谐波电流近似与谐波次数成反比，因此一系列次数较低，幅值较大的谐波得到消除，谐波源产生的电流将减少。 改变谐波源的配置或工作方式 具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 采用多重化技术。 将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。 谐波叠加注入。 利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上 ，可以用于降低给定的运行点处的某些谐波。 缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率损耗常常高达直流功率的 10％。 采用 PWM 技术 采用脉宽调制 PWM(Pulse Width Modulation)技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小。 波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。 设计或采用高功率因数变流器。 12 比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为 1。 被动治理谐波的措施 采用无源 滤波器 PPF（ Passive Power Filter， PPF） 或称为 LC滤波器。 LC 滤波器由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构连接而成的滤波装置。 LC滤波器是出现最早，虽然存在一些较难克服的缺点，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法。 采用有源电力滤波器 APF(ActivePowerFilter)。 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服 LC 滤波器等传统谐波抑制 方法缺点。 随着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上己经进入实用阶段。 其余抑制高次谐波的技术 开关电源干扰的抑制技术 一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。 采用电源滤波器，电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。 屏蔽技术可减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。 还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生以有效地防止向外辐射干 扰。 变压器空载合闸涌流 防止和应涌流产生的措施 空载合闸前，将合闸变压器中性点不接地。 使其合闸时只产生励磁涌流而不产生和应涌流。 需要注意的是，如果将合闸变压器中性点不接地，为防止变压器空载合闸时的过电压问题，应在变压器不接地中性点装设间隙保护，如专门保护变压器中性点的无间隙金属氧化物避雷器或采用棒间隙并联避雷器保护，防止冲击过电压损坏变压器铁芯或绝缘。 空载合闸前，将合闸变压器中性点接地，联系调度短时停运运行变压器中性点， 13 可短时停运变压器中性点，但应考虑此种情况下合闸时局部系统可能失去接地中性点引起的过电压而损坏变压器，也应考虑安装间隙保护。 防止运 行中变压器保护误动的措施 充分利用继电保护信息系统软件，模拟计算系统在不同运行方式下其它变压器空载合闸时在变压器中性点可能流过的最大零序电流值，合理的整定变压器零序电流保护的定值，防止零序保护误动。 尽力使设备在正常接线运行方式下运行，减少或避免在特殊运行方式下运行，以防止零序保护定值可能不满足特殊运行方式的要求，而造成零序保护误动作。 现有大型变压器多采用比率制动特性原理的差动保护，比率差动保护的最小动作电流一般整定为变压器二次额定电流 ～ 倍，最小制动电流一般整定为变压器二次额定 电流 倍，定值整定过小，变压器空载合闸时和应涌流有可能超过变压器差动保护动作值，造成差动保护动作，为此在保证差动保护灵敏度的前提下，适当整定变压 器差动保护最小动作值，抬高差动保护定值门槛，就有可能避免差动保护误动。 抑制电压互感器铁磁涌流抑止方法 采用励磁特性较好的电压互感器。 当今生产的抗谐振新型 TV，伏安特性好，启始饱和电压达 因而难以形成参数匹配发生谐振，降低了谐振发生的机率，可以说是消谐治本的措施。 缺点是一旦发生谐振，将出现更高的过电压和过电流。 该方案较适合于新厂站的产品 选型，老厂站的技术改造工作量较大，经济性较差，本厂暂且不予考虑。 电压互感器中性点经消谐电阻 R0 接地。 Y0 接线的 PT 高压绕组是中性点不接地系统中唯一的入地金属通道，接地故障消失过程中，三相对地电容 3C0 通过 TV 三相高压绕组电感 L/3 放电，极大的直流分量使铁芯深度饱和，电抗减少，激发谐振的同时，大电流往往引起 TV 过热损坏。 接入 R0 后，对 TV高压绕组进行了分压，限制了绕组中的电流，特别是限制了断续弧光接地时的高幅值电流，既改善了 TV的伏安特性，有效抑制谐振，又避免了绕组过热损坏。 R0 的阻值选择以发生单相接地故 障时， TV开口绕组电压不低于 80V 为标准，以保证接地保护动作的灵Ω。 国内已有多家公司生产 LXQ 系列非线性消谐电阻器，低压下呈几百 kΩ高电阻，有效抑制谐振起始发展；接地时高压作用下非线性电阻下降，保证接地保护动作的灵敏度， 6～ 10kV 系统可取 30～ 50k 度。 持续长时间的弧光接地短路时， R0热容量难以满足散热要求，可能过热损坏是它的缺点。 由于该方案对 TV 避免大电流损坏的有效性，考虑到本厂 35kV 系统 TV多次在不良天气接地后损坏，拟采用该方案。 现不少厂家对阻尼电阻进行了改进，利用晶闸管的可控通断自动调整阻值，制 造了微电脑自动消谐装置。 消谐装置能在接地故障时断开电阻，不开启消谐回路，谐振时断 14 时续将开口三角绕组短接，使饱和过电压迅速消除，又避免 TV 过热损坏。 然而，由于户外端子箱的高温密闭环境，从用户反馈的情况来看，微电脑消谐装置运行可靠性往往不高。 TV一次侧中性点经零序电压互感器接地，或经消弧线圈接地 TV 一次侧中性点经零序电压互感器接地，或经消弧线圈接地，是一个原理上与该方案 相似 ，但无保护灵敏度下降及电阻器过热损坏缺点的更理想方案，但受现场施工安装条件限制，作为该方案的替代比较。 改进送电倒闸操作方式。 对母线合闸充电操作时，事先投入某些线路或变压器等设备，以破坏谐振匹配的条件。 或合闸充电前先断开母线 TV，相当于断开了谐振电感 L，待充电正常后再投入。 但前者不符合送电倒闸操作中从电源到负荷逐级合闸的原则规定，后者又会短时间失去母线电压监视和接地告警监视。 第三种方式是母线充电后立即投入计划送电的线路或变压器等设备，这是尽快消除操作谐振过电压的直接有效的措施，但此时 TV 已遭受了谐振过电压和过电流危害。 上述操作方式实践证明对消除谐振效果很好，但均存在一定局限性，建议在已出现谐振或无法避免谐振时灵活使用。 操作中应事先 做好事故预想，如出现谐振过电压现象，如 TV 及母线回路声音异常、电压表指示不正常升高、接地故障告警等应立即采取相应措施，消除谐振。 抑止整流和逆变产生的谐波 在变频器前加装电源滤波器。 一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只 680μ f 250VAC 的电容，（分别接在 LN上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的 1/10，效果较明显； 变 频器的电源电缆采用屏蔽电缆 屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。 抑止电弧炉运行时的干扰 抑制 超高功率电弧率干扰途径来讲有二：一是提高供电电源的电压等级，以提高与电网公共连接点的短路容量，使其对电网和自身的影响在允许范围内：二是采用 SVC 装置，使其多项指标限制在允许范围内。 两种途径相比，途径一是治标的方法，因为电炉对电网和自身影响的各种量值并未消除，而是送到更高电压级的电网去扩散，随着电炉不断建设发展，这些量值在电网中增加积累，泛滥成灾，将会形成电网所不能接受的程度，二增加了对广大用户的影响。 因此，使用范围。