引言
隨著電力電子器件及微電子技術的迅速發(fā)展,大量的非線性用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業(yè)領域,如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設備等接入電力網(wǎng),是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴重,降低了系統(tǒng)的電能質量。
1. 諧波產(chǎn)生的原因
電力網(wǎng)中的諧波有多種來源 ,在電力的生產(chǎn),傳輸、轉換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。
在其它幾個環(huán)節(jié)中,諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備:(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備,如:變壓器、電抗器等;(2)以具有強烈非 線性特性的電弧為工作介質的設備,如:氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;(3)以電力電子元件為基礎的開關電源設備,如:各種電力變流設備(整流 器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開關設備等,它們大量的用于化工、電氣鐵道,冶金,礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用 電器中。以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)的顯著的特點是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流,即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓,但由于它們 只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓、電流特性,使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成,即產(chǎn) 生了諧波,使電網(wǎng)電壓嚴重失真,此外電網(wǎng)還必須向這類負荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。
接入低壓電力系統(tǒng)的非線性設備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定 的諧波和變化的諧波兩大類。穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時間變化,如視頻顯示設備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波,這類設備對電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負 載。由激光打印機、復印機、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時間變化,稱之為波動的諧波,這類設備對電網(wǎng)來說是一個隨時間變化的負載。
隨著電力電子設備使用的不斷增加,同時這些設備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅,所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。
2. 諧波的危害
大量諧波電流流入電網(wǎng)后,由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降,疊加在電網(wǎng)基波上,引起電網(wǎng)的電壓畸變,致使電能質量變差。當注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時,會對 電網(wǎng)自身及用電設備的正常運行造成損害:在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出,這不但使接入該電網(wǎng)的設備無法正常工作, 甚至造成故障,而且還會使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載,影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。
電網(wǎng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
ⅰ 增加了發(fā)、輸、供和用電設備的附加損耗,使設備過熱,降低設備的效率和利用率。
(1) 對旋轉電機的影響
諧波對旋轉電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電 系統(tǒng)中,用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此,諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為顯著。試驗表明,在額定出力下持續(xù)承受為3% 額定電壓的負序電壓時,電動機的絕緣壽命要減少一半。因此,國際上一般建議在持續(xù)工作的條件下,電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。