安全工程师辅导：电网谐波的危害及抑制技术安全工程师考试

文章作者 100test 发表时间 2009:06:15 07:24:28
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　　随着电网容量迅速增长，电网运行电压也不断提高，国外输电设备电压已达１０００ｋＶ我国从２０世纪８０年代开始进入大电网时期，输变设备电压已达５００ｋＶ。最近开始西北地区黄河上游水电深度开发，国家电力公司已批准建设第一条７５０ｋＶ输电线路。
　　随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（Ｐｏｗｅｒ Ｑｕａｌｉｔｙ）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。 把安全工程师站点加入收藏夹
　　近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，２０世纪７０年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。１９６６年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入１００～２００Ｖ脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。
　　国际电工委员会（ＩＥＣ）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“ＩＥＥＥ电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准ＩＥＥＥ—１０００。在ＩＥＥＥｓｔｄ．５１９—１９９２标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（ＴＨＤ）应在５％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求ＴＨＤ应低于３％。
　　1　电网谐波的产生
　　1．1　电源本身谐波
　　由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。
　　1．2　由非线性负载所致
　　1.2.1 非线性负载
　　谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。
　　1.2.2 主要非线性负载装置
　　（1）开关电源的高次谐波：开关电源的示意图见图１。它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样；
　　①一次整流回路噪声：这是电容输入型线路，整流脉动电压要超过Ｃ１上的充电电压，电流才从电源输入，电流波形呈脉冲形（图２），对这种脉冲状电流波进行“傅立叶展开”后，可以看到：除了５０Ｈｚ基波分量外，还有１００Ｈｚ、１５０Ｈｚ、２００Ｈｚ、２５０Ｈｚ、３００Ｈｚ等高次谐波，这些高次谐波电流全部返回到公用电网中，造成公用电网的波形偏离５０Ｈｚ；
　　②开关振荡回路：开关三极管Ｔ１一般以２０ｋＨｚ 以上频率频繁通断，使电路产生高次谐波。其次Ｌ１、Ｌ２线圈间有漏感，在Ｔ１工作时也会形成噪声；
　　③二次整流回路噪声：首先，高次谐波流过Ｌ２－Ｄ５－Ｌ４－Ｃ２产生噪声。电流突变过程中在Ｌ２、Ｌ４上的反电动势也会形成噪声；
　　④控制回路噪声：在完成控制过程也会产生噪声。
　　这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。
　　（2）变压器空载合闸涌流产生谐波
　　变压器空载合闸时，可以列出下列方程：
　　ｉ０Ｒ１＋Ｎ１＝&.#8226.Ｕ１&.#8226.ｓｉｎ（ωｔ＋α）
　　求解后得到：
　　Φ１＝－Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）＋Φｍｃｏｓα （１）
　　Φｍｃｏｓ（ωｔ＋α）——磁通的稳态分量；
　　Φｍｃｏｓα——磁通的暂态分量。
　　如果合闸时，α＝０（既在μ１＝０的瞬间合闸）得到：
　　Φ１＝Φｍ－Φｍｃｏｓωｔ （２）
　　在合闸后半周期（ｔ＝）时，磁通达到最大值Φ１＝Φ１ｍａｘ＝２Φｍ，如图３。
　　铁心中磁通波形对时间轴不对称，考虑剩磁Φ０，则磁通波形再向上移Φ０，从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区，因此在磁通变化时，会产生８～１５倍额定电流的涌流，由于线圈电阻Ｒ１的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以３次谐波为主。
　　（3）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰：如果ｔ＝０时，ＣＢ触头刚分开，弧电压很低略去，因此电源电压ｕ与电容电压相等，即ｕ＝ｕｃ。
　　ｔ＝ｔ１时，电流为零，电弧熄灭，而电源电压仍然按正弦变化，经过半周到达正向最大。但是，电容电压ｕｃ＝－Ｕｍ不再变化。断路器ＣＢ触头间电压Ｕｊ＝Ｕ－Ｕｃ＝２Ｕｍ。
　　当ｔ＝ｔ２时，如果此时弧隙介质击穿，这一过程可以看为Ｕｍ直流电源经电感Ｌ突然加到电压为－Ｕｍ的电容上，因分布参数产生高频振荡，形成高频电流：
　　ｉｃ＝２&.#8226.Ｕｍ&.#8226.ω０&.#8226.Ｃ&.#8226.ｃｏｓω０ｔ，（ω０＝）
　　电容器上电压为：
　　μｃ＝ｉｄｔ＝Ｕｍ－２Ｕｍｃｏｓω０ｔ （３）
　　因此，高频电流ｉｃ经时间第一次过零时，高频电流被切断，电容器上电压Ｕｃ＝３Ｕｍ最大值，如果此时电弧被熄灭，则Ｕｃ将保持３Ｕｍ不变。
　　ｔ＝ｔ３时，Ｕｊ＝４Ｕｍ，此时弧隙又出现击穿，则电容器电压可达到５Ｕｍ值。
　　实际上，由于触头间距在开断过程中不断增加，因此介质强度不断增大，当介质恢复强度超过电压增加速度，重击穿现象中止，完成开断，所以电容上过电压倍数不会达到３倍（上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后１０ｍｓ，因此恢复电压达到最大值）。
　　，用普通断路器投切电容器ｃ１时（ｃ１处于２０ｋＶ线路），产生１．８（ｐ．ｕ）过电压，导致谐振，谐振却又在ｃ２处（ｃ２处于６ｋＶ线路）产生高于４（ｐ．ｕ）的过电压。
　　电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生；
　　（4）电压互感器铁磁谐振过电压：在我国１０ｋＶ、３５ｋＶ等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。在正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感Ｌ和系统对地电容Ｃ在参数上配合，而产生谐振过电压。为了分析，我们先看一下图５，它是典型的Ｌ、Ｃ并联电路。图中ｘｃ＝，ｘＬ＝ωＬ，ｘｃ是线性参数，但是ｘＬ是非线性参数，其大小与铁芯饱和程度有关，如发生并联谐振，则产生较高的谐振过电压；
　　（5）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流：整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域，大功率整流器——逆变器广泛应用于交流变频调速及交－直流电动机的调速等领域。
　　其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（５０Ｈｚ基波）外，还叠加了一系列高次波形——谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近３０％），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表——压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。
　　这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一是通过电容耦合；其二是通过高次谐波电流产生的电磁感应；其三是直接由接地回路或电源线窜入的。
　　（6）电弧炉运行引起电压波动：随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路－开路－短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是０．１Ｈｚ～几十Ｈｚ，这种谐波是以３次谐波为主。