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電磁兼容中諧波的產(chǎn)生及其危害
日期:2024-10-18 04:18
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摘要:1. 何為諧波?
在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,第3、5、7次編號的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波,如基波為50Hz時,2次諧波為100Hz,3次諧波則是150Hz。
一般來講,...
1. 何為諧波?
在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,第3、5、7次編號的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波,如基波為50Hz時,2次諧波為100Hz,3次諧波則是150Hz。
一般來講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。對于三相整流負載,出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。
“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國,由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。
到了50年代和60年代,由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展,發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來,由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛,諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議,不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
2. 諧波抑制
為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題,基本思路有兩條:一條是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波,這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進行改造,使其不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控制為1,這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。
裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補償諧波,又可補償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡單,一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,它只能補償固定頻率的諧波,補償效果也不甚理想。
3. 無功補償
人們對有功功率的理解非常容易,而要深刻認(rèn)識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中,無功功率的概念是清楚的,而在含有諧波時,至今尚無獲得公認(rèn)的無功功率定義。但是,對無功功率這一概念的重要性,對無功補償重要性的認(rèn)識,卻是一致的。無功補償應(yīng)包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。
無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此,粗略地說,為了輸送有功功率,就要求送電端和受電端的電壓有一相位差,這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn);而為了輸送無功功率,則要求兩端電壓有一幅值差,這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率,大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然,這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的,通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率,這就是無功補償。
無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c:
(1)提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù),降低設(shè)備容量,減少功率損耗。
(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓,提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高輸電能力。
(3)在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合,通過適當(dāng)?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。
二、諧波和無功功率的產(chǎn)生
在工業(yè)和生活用電負載中,阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作,這是由其本身的性質(zhì)所決定的。
電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率,特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器,在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓,要消耗大量的無功功率。另外,這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流,諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同,所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流,因此也消耗一定的無功功率。
近30年來,電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛,也使得電力電子裝置成為*大的諧波源。在各種電力電子裝置中,整流裝置所占的比例*大。目前,常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路,其中以三相橋式和單相橋式整流電路為*多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同,因而基波功率因數(shù)接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大,給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染,也使得總的功率因數(shù)很低。另外,采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。
三、無功功率的影響和諧波的危害
1.無功功率的影響
(1)無功功率的增加,會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加,從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。同時,電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。
(2)無功功率的增加,使總電流增大,因而使設(shè)備及線路的損耗增加,這是顯而易見的。
(3)使線路及變壓器的電壓降增大,如果是沖擊性無功功率負載,還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動,使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。
2.諧波的危害
理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對公用電網(wǎng)是一種污染,它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,也對周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前,人們對諧波及其危害就進行過一些研究,并有一定認(rèn)識,但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來,各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生,諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。
(1)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率,大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外,還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓,使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短,以至損壞。
(3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,這就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起嚴(yán)重事故。
(4)諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作,并會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。
(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致住處丟失,使通信系統(tǒng)無法正常工作。
在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負載時,與所加的電壓不呈線性關(guān)系,就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù),根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波,每個諧波都具有不同的頻率,幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性,第3、5、7次編號的為奇次諧波,而2、4、6、8等為偶次諧波,如基波為50Hz時,2次諧波為100Hz,3次諧波則是150Hz。
一般來講,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在。對于三相整流負載,出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。
“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國,由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。
到了50年代和60年代,由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展,發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來,由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛,諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議,不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。
2. 諧波抑制
為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題,基本思路有兩條:一條是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波,這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進行改造,使其不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控制為1,這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。
裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補償諧波,又可補償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡單,一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,它只能補償固定頻率的諧波,補償效果也不甚理想。
3. 無功補償
人們對有功功率的理解非常容易,而要深刻認(rèn)識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中,無功功率的概念是清楚的,而在含有諧波時,至今尚無獲得公認(rèn)的無功功率定義。但是,對無功功率這一概念的重要性,對無功補償重要性的認(rèn)識,卻是一致的。無功補償應(yīng)包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。
無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此,粗略地說,為了輸送有功功率,就要求送電端和受電端的電壓有一相位差,這在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn);而為了輸送無功功率,則要求兩端電壓有一幅值差,這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率,大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然,這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的,通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率,這就是無功補償。
無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c:
(1)提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù),降低設(shè)備容量,減少功率損耗。
(2)穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓,提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高輸電能力。
(3)在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合,通過適當(dāng)?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。
二、諧波和無功功率的產(chǎn)生
在工業(yè)和生活用電負載中,阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作,這是由其本身的性質(zhì)所決定的。
電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率,特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器,在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓,要消耗大量的無功功率。另外,這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流,諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同,所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流,因此也消耗一定的無功功率。
近30年來,電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛,也使得電力電子裝置成為*大的諧波源。在各種電力電子裝置中,整流裝置所占的比例*大。目前,常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路,其中以三相橋式和單相橋式整流電路為*多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同,因而基波功率因數(shù)接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大,給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染,也使得總的功率因數(shù)很低。另外,采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。
三、無功功率的影響和諧波的危害
1.無功功率的影響
(1)無功功率的增加,會導(dǎo)致電流增大和視在功率增加,從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導(dǎo)線容量增加。同時,電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。
(2)無功功率的增加,使總電流增大,因而使設(shè)備及線路的損耗增加,這是顯而易見的。
(3)使線路及變壓器的電壓降增大,如果是沖擊性無功功率負載,還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動,使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低。
2.諧波的危害
理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn),對公用電網(wǎng)是一種污染,它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,也對周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前,人們對諧波及其危害就進行過一些研究,并有一定認(rèn)識,但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來,各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重,由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生,諧波危害的嚴(yán)重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。
(1)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率,大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。
(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外,還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓,使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短,以至損壞。
(3)諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,這就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起嚴(yán)重事故。
(4)諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作,并會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。
(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致住處丟失,使通信系統(tǒng)無法正常工作。