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电力系统谐波治理的基本方法

添加时间:2016-01-25 16:55:30  浏览次数: 次  :

一、电力系统中谐波的来源
       电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波,因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类:隐极机和凸极机。隐       极机多用于汽轮发电机,凸极机多用于水轮发电机。
       对于谐波分量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技进步,可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入,使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时,由于电机的磁饱和,会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时,也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下,所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小,比国家的考核标准低的多,因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。
       为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备,也就是说非线性用电设备是主要的谐波源,非线性用电设备主要有以下四大类:
       电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。
       交流整流的直流用电设备:如电力机车、电解、电镀等。
       交流整流再逆变用电设备:如变频调速、变频空调等。
       开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
       这些用电设备都是非线性用电设备,但它们产生的谐波各不相同,具体举例分析如下:
       电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。
       此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波,造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少,电焊机应用的同时率就更小了,对整个电网的影响比较小,但在当时已发现在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很大,有较大的谐波影响。
       交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零(如图图所示)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较低。
       交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。
       虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是目前推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。
       开关电源设备目前应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。此外,开关电源的频率比较高一般在40kHz左右,不仅在整流时产生谐波,而且在开关管开闭时,反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大,但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。
二、谐波治理的基本方法
       目前谐波治理的基本方法有以下三种,在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则,应该在非线性用电设备处分散治理。但对于电脑,彩电,节能灯等民用设备,则只能进行集中治理。
       1、减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统阻抗,换句话说就是提高供电电压等级。例如,在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果,该钢厂原是用35kV供电,由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电,而它的主要用电设备是电弧炉,虽然进行了五次、七次谐波治理,但在110kV的35kV母线上测得谐波分量仍接近或稍超国家标准。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右,用5回35kV专线供电,使35kV母线的谐波分量控制在国家标准以内,此外该厂还使用了较大容量的同步发电机,使这些非线性负荷的电气距离大大下降,使该厂生产的谐波对电网的危害性下降,这种方法投资是最大的,往往需要和电网发展规划相协调。
       2、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波,它不仅直接影响到本级电网,而且经过变压器后,还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网,这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采用,发电机发出的电能经过Y/△、Y0/△、Y0/Y等接线组别的变压器,把发电机产生的三次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来,因此在110kV以上高压电网上,三、九次谐波分量很小,几乎是零。而10kV由于大多数配变为Y/Y0接线,35kV也有少量Y/Y0接线的直配变,因此在10kV和35kV系统中三、九次谐波分量会比高压电网大。为了减少低压对10kV电网的影响,我局现在10kV配电系统中推广使用了D,yn11接线组别的配电变压器,有效的减少了三、九次谐波的影响。
       3、安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法,多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
       有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较,差额部分由有源滤波器进行补偿,这是谐波治理的发展方向。目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高,而且成本很高,因此在现阶段不可能大量推广应用。随着科学技术的发展,功率电子元件的成本下降,这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。
       无源滤波器是通过L、C串联或并联,使其在某次谐波产生谐振,当发生串联谐振时,使滤波器两端该次谐波的电压很小,几乎接近零,这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处,从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小,达到对该次谐波治理的目的。串联无源滤波器多用于对五、七、十一次谐波治理中,而且往往同时采用两组以上滤波器,谐振在五、七次,同时起补偿电容器组的作用。目前,在电力行业中,它多用于35kV和110kV变电所的10kV母线上,两组滤波器中的电容器容量大于变电所无功补偿容量,串联电感后,谐振在五、七次谐波频率中,使无源滤波器一物二用,具体计算公式如下:
       当无源滤波器中,L、C串联谐振在n次谐波频率时,。
       电容器和电感在工频时的参数:
       Xc=n2XL得,当n=5时,Xc=52XL=25XL
       Uc=1.04U,Qc=1.04QLC
       当n=7时,Xc=72XL=49XL,Uc=1.02U,Qc=1.02QLC
       一般在电容器无串联电感时,电网额定电压为10kV,变压所母线电压在10.5kV以上,电容器额定电压多选用11kV/。因此,用整治五次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11.5kV/或12kV/,用来整治七次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11kV/。
       但是由于计算精度和电容器、电感器的制造精度等原因,若按计算结果数据来配备,在标准化审查时就通不过,为了保证串联滤波器能在五、七次谐波频率时谐振,我们要求电感有一定的调节范围,从而确保滤波器能正常工作。具体调试方法如下图,调节电感,在谐波分析仪中该次谐波值最小时,则认为滤波器已调试成功。
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