1、电气谐波危害的解决措施变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备，由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备经常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。 11 什么是谐波 谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证实，任何
2、重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以 I 区分为偶次与奇次性，第 3、5、7 次编号的为奇次谐波，而 2、4、6、8 等为偶次谐波，如基波为 50Hz 时，2 次谐波为lOOHz，3 次谐波则是 150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n1 次谐波，例如 5、7，11、13、17、19 等，变频器主要产生 5、7次谐波。谐波定义示意图如图 1 所示。 此主题相关图片如下：
3、 12 谐波治理的有关标准 变频器谐波治理应注重下面几个标准，抗干扰标准：EN50082-1、-2，EN61800-3：辐射标准：EN5008l-1 、-2 ，EN61800-3 。非凡是IECl0003、IECl800-3(EN61800-3)、IEC555(EN60555)和 IEEE519-1992。 普通的抗干扰标准 EN50081 和 EN50082 以及针对变频器的标准EN61800(1ECl800-3)定义了设备在不同的环境中运行时的辐射及抗干扰的水平。上述标准定义了在不同环境条件下的可接受辐射等级：L 级，无辐射限制。适用于在不受干扰的环境下使用变频器的用户和自己处理辐射限制的
4、用户。H 级，根据 EN61800-3 确定的限制，第一环境：有限制分布，和第二环境。作为选件 RFI 滤波器，配置 RFI 滤波器可以使变频器达到商业级，通常用于非工业的环境。 2 谐波的治理措施 治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽，隔离，接地及滤波等技术手段。使用无源滤波器或有源滤波器：增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；使用无谐波污染的绿色变频器。 21 使用无源滤波器或有源滤波器 使用无源滤波器其主要是改变在非凡频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。 传统的方式多选用无源滤波器，无源滤波器出现最早，因其结构
5、简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今仍是谐波抑制的主要手段。LC 滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。这种装置存在一些较难克服的缺点，主要是轻易过载，在过载时会被烧损，可能造成功率因数过引、偿而被罚款；另外，无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降。更重要的是无源滤波器只能过滤一种谐波成份(如有的滤波器只能滤除三次谐波) ，假如过滤不同的谐波频率，则要分别用不同的滤波器，增加设备投资。 国内外有多种有源滤波器，这种滤波器能对频率和
6、幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器(APF)理论在 20 世纪 60 年代形成，后来着大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱，以抵消原线路谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量。其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信号处理(DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(1GBT) 来完成。 目前，在具体的谐波治理方面，出现了无
7、源滤波器(LC 滤波器)与有源滤波器互补混合使用的方式，充分发挥 LC 滤波器结构简单、易实现、成本低，有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，两者结合使用，从而使整个系统获得良好的性能。 22 减少回路的阻抗及切断传输线路法 谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载，因此，解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过。因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前
8、，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，非凡是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。可以将线性负载与非线性负载从同一电源接口点(PCC)就开始分别的电路供电，这样可以使由非线性负载产生的畸变电压不会传导到线性负载上去。这是目前治理谐波问题较为理想的解决方案。 23 使用无谐波污染的绿色变频器 绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为 1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器，它能很好的抑制
9、谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器答应的情况，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用 12 脉冲或 18 脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如 12 脉冲，最低的谐波是 11 次、13 次、23 次、25 次谐波。依次类推，对于 18 脉冲，最低的谐波是 17 次和 19 次谐波。 变频器中应用的低谐波技术可，归纳如下：逆变单元的并联多重化，采用 2 个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。整
10、流电路的多重化，在 PWM 变频器中采用 121 脉冲、18 脉冲或者 24 脉冲的整流，以减少谐波。逆变单元的串联多重化，采用 30 脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化,从而在根本上解决谐波问题。 3 结论 综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。谐波对电
11、气设备的危害在理想状态下，供电电压波形应该是正弦波，但是由于电力系统中存在有大量非线性特性的用电设备，即存在大量的谐波源，使得实际的波形偏离正弦波，这种电压正弦波形畸变现象通常用谐波来标示。 产生谐波的元件有：荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、异步电动机、电焊机、变压器和感应电炉等，都会产生谐波电流或电压。最为严重的是大型晶体管变流设备和大型电弧炉，是造成电网谐波的主要因素。 谐波对电气设备的危害主要有以下几个方面： 1.使变压器损耗明显增加，使变压器过热增加能耗，加速绝缘老化，缩短使用寿命，还能使变压器噪声增大。 2.谐波电流会使交流电动机的铁芯损耗明显增加，加速绝缘老化，缩短寿命，还会使电动机
12、转子产生振动现象，严重影响机械加工的质量。3.谐波电压加在电容器两端时，由于电容对谐波的阻抗小，电容器很容易因过电流发热导致绝缘击穿甚至烧毁。 4.使电力线路的电能损耗好和电压损耗增加，使感应式电能表计量不准确。 5.谐波电流可使电力系统发生电压谐振引起过电压，有可能击穿线路绝缘。 6.还可能使继电保护和自动装置误动或拒动，使计算机失控，电子设备误触发，电子元件测试无法进行。 7.对附近的通讯设备和通信线路产生信号干扰。谐波对并联电容器的影响及抑制对策谭 劲(西华师范大学物理与电子信息学院,四川南充637002)摘 要:对电力系统中谐波的产生及其对无功补偿电容器的影响作了详细分析,阐明了抑制谐
13、波对并联电容器危害的原理及一些有效方法.关键词:谐波; 并联电容; 危害;抑制中图分类号:TM754.12文献标识码:B1引 言近年来,随着非线性设备的大量采用,其带来的谐波问题也日趋严重,谐波污染已与电磁干扰、功率因数降低并列为当前电力系统的三大公害。并联电容器是电力系统中的主要无功补偿源,广泛应用于电力系统以提高功率因数,由于电容器的阻抗呈容性,比其它电器更易受到谐波的危害,因而研究谐波对并联电容器的影响及抑制对策对提高电网质量有着积极的重要作用.2谐波及其产生谐波是指一个周期电气量的正弦波分量,它的频率为基波频率的整数倍.周期为 T=2/的非正弦量f(t),在满足狄里赫利的条件下,可分解
14、为式(1)的傅里叶级数1f(t)=a0+n=1(ancosnt+bnsinnt).(1)式中,频率为 n(n=2,3,4,)的项即为谐波项 ,通常也称之为高次谐波.电力系统的谐波主要由谐波电流源产生:当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与电压波形不同,电流因而发生了畸变,由于负荷与电网相连,故畸变电流注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源.例如变压器的励磁电流:因为加在变压器上的电压是正弦基波电压,所以铁心中的磁通也是按正弦规律变化的,但由于铁心磁化曲线的非线性,产生正弦磁通的励磁电流波形不再是正弦波,而成为了尖顶波,进行傅里叶级数分析可知含有全部奇次谐波,以 3 次为最大2
15、.诸如此类的非线性设备就成了谐波源,如电力电子变流装置、电弧炉、铁心电抗器及家用电器(包括电视机、荧光灯、个人计算机)等等,随着这些设备的广泛使用 ,所产生的谐波污染就成了一个无法回避的严重问题.3谐波对并联电容器的影响在电网中出现谐波后,并联其上进行无功补偿的电容器组必然受到影响,主要体现在:3.1 导致电容器过电流和过负荷在电容器两端的电压中含有 2 至 n 次谐波时,其有效值为:U=U12+U22+U23+U2n=U11+h22+h23+h2n.(2)式中:h2-hn 为各次谐波电压畸变率,hn=UnU1(U1基波电压,Un n 次谐波电压).收稿日期:2004-12-17作者简介:谭
16、劲(1965-),男,四川南部人,西华师范大学物理与电子信息学院教师,主要从事电工技术教学及供电系统管理方面的研究工作.var script = document.createElement(script); script.src = http:/ document.body.appendChild(script); 188西华师范大学学报( 自然科学版)2005 年通过电容器的电流有效值为:I=I21+I22+I23+I2n=(1CU1)2+(21CU2)2+(n1CUn)2=I11+22h22+32h23+n2h2n.(3)式中:I1=1CU1 为基波电流,In 为 n 次谐波电流.电容器
17、的无功输出容量为:Q=U1I1+U2I2+UnIn=1CU21+21CU22+31CU23+n1CU2n=Q1(1+2h22+3h23+nh2n).(4)式中:Q1=1CU21 为基波无功功率.比较式(2)-(4)可以看到 ,当电网存在谐波,在电压有效值增长的同时,无功输出容量的增长更快,而电流有效值的增长来得最快,特别是含有较高次谐波时,更为显著.此即所谓并联电容对高次谐波电流有放大作用.例如,当系统电压波形仅包括基波和 7 次谐波,并且其基波电压与额定电压相等,7 次谐波电压为额定电压的 24%时,则通过(2)-(4)式计算可知,此时电容器过电压仅为 2.8%,无功输出的过负荷达到 40.
18、3%,而过电流则达到 95.5%,按照国标GB3983.2-89高电压并联电容器中规定:(a)电容器单元承受稳态长期过电压的最高值应不超过 1.10UN;(b)电容器能承受的稳态过电流应不超过在额定频率、额定正弦电压下电流的 1.3 倍;(c)电容器的无功容量输出应不超过额定无功容量的 1.35 倍.显然,此情况下,虽然电压尚在许可之内,但电容器已产生了过电流和过负荷,必将使电容器的损耗功率相应增加,其结果导致电容器异常发热,而不能正常工作3.3.2使电容器的局部放电性能下降电容器的局部放电性能通常用起始放电场强和熄灭场强两个参数来表征,两者愈高愈好; 当电网中存在谐波时,一方面使电容器端电压
19、有效值增加的同时,还造成电压峰值的升高,特别是电压呈尖顶波时,在电容介质中诱发局部放电的效应愈显著;另一方面使电容器的起始放电场强和熄灭场强下降,电容器的局部放电起始电压和熄灭电压相应下降,而且谐波分量越多,下降的越厉害,当电容器的局部放电熄灭场强低于工作场强时,即使因操作过电压所诱发的局部放电就可能在工作场强下不能熄灭,从而形成长期局部放电,导致电容器损坏.3.3 使电容器寿命缩短(1)电容器的绝缘介质的工作寿命与有机绝缘材料电老化的一般规律相符,即:U-(绝缘介质的工作寿命,U 电容器的工作电压,取决于介质材料与结构的指数,一般为 7-9),因谐波的存在使电容器电压升高,故电容器寿命缩短.
20、(2)谐波的存在所导致的过电流、过负荷将使电容器的工作温度升高,在电场和温度作用下,加速介质材料的绝缘老化.(3)谐波的存在往往使电压波呈尖顶波,使每个周波的局部放电能量显著增加,从而使电容器的工作寿命缩短.可见,电网中的谐波对并联电容有相当大的危害,采取相应的防护措施是十分必要的.4对 策当系统中有谐波,且影响到电容器安全运行,首先应采取措施降低多次谐波到许可范围内,其次是采取措施限制电容器对谐波的放大,常用措施有:4.1 在电容器回路中串联电抗器这是抑制高次谐波对并联电容器危害 Un 最简单直接的方法.如图 1 所示为电容器串联电抗器的单相等效电路图.图中 En 为 n 次谐波源电动势,U
21、n 为母线的 n 次谐波电压,Xc 为电容器组的各相等值基波容抗,Xs,XL 分别为系统、电抗器的基波感抗,一般有 XsXL,RS 为各相的等值电阻,显然:In=En/R2S+n(XS-XL)-XCn2=En/R2S+(nXL-XCn)2.(5)var script = document.createElement(script); script.src = http:/ document.body.appendChild(script);第 26 卷第 2 期 谭 劲:谐波对并联电容器的影响及抑制对策189Un=In(nXL-XCn).(6)由式(5)可知,XL 越大,谐波电流 In 越小,
22、同时为避免 n 次及以上谐波发生串联谐振 ,应使 nXLXCn,即 XLXCn2;而由式(6)可知,当 nXL=XCn,即 XL=XCn2 时,母线上的 n 次谐波电压为零,这正是所希望的;兼顾以上两方面,应取 XL 略大于 XCn2.例如,为限制 5 次及以上谐波时,通常取 XL=0.06XC152XC,即选取电抗值为 6%XC 的串联电抗器,表 1 是某配电中心加 6%XC 的串联电抗器前后的母线电压谐波实测值.从表中可见,在电容器组投入后对高次谐波有放大现象,特别是对五次谐波扩大了近 9 倍,总谐波率升高近 5 倍,但在电抗器串入后,总谐波率大幅下降,结果表明,加装串联器是完全必要的,它
23、与电容器组串联后使其综合阻抗对被限制的谐波呈感性,从而避免了容性阻抗对高次谐波的放大现象.同时也对电容器的合闸涌流有一定的限制作用.表 1串联电抗器抑制谐波实验数据Tab.1Dateoftheexperimentforthesuppressionharmonicintheseriesconnectionofcapacitancewithreactor运行条件高次谐波畸变率(%)h3h5h7h9h11h13h15总谐波畸变率(%)电容器组未投入电抗器未串入0.681.110.800.091.000.670.652.06 电容器组已投入电抗器未串入 0.609.601.900.100.500.34
24、0.159.82 电容器组已投入电抗器已串入0.680.900.930.141.400.930.192.234.2在谐波源处吸收谐波电流(1)无源滤波器(LC) 它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,与谐波源并联,通过对参数的设置可以针对性很强地吸收畸变率较大的高次谐波,这种传统滤波器的优点是结构简单,造价低,缺点是滤波性能差些.属静态响应滤波器.(2)有源滤波器(APF) 它是一种电力电子装置 ,其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与该谐波大小相等、极性相反的补偿电流,从而使电网中只含有基波分量,这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿不受电网阻抗
25、的影响,属动态响应滤波器.有源电力滤波器发展到目前又产生了与 LC 滤波器混合使用的方式.利用 LC 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务,两者结合使用时,既可克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点,又可使整个系统获得良好的动态跟踪补偿性能.4.3降低谐波源的谐波含量在谐波源上采取措施,最大限度地避免谐波的产生,以提高电网质量,节省因抑制谐波影响而支出的成本.包括下列方法:(1)电力变压器(包括整流变压器)采用 Y,d 或 D,y 的接线,可消除 3 次及其倍数次的高次谐波,这是抑制高次谐波最基本的方法.(2)增加整流器的脉动数,整流器是电网中的主要谐波源,其特征频谱为:n=KP1, 脉动数 P 增加,n 也相应增加,而 InI1/n,故谐波电流减少 ,因而增加整流脉动数 ,可平滑波形,减少谐波:如整流相数为 6 相时 ,5 次谐波电流为基波电流的 18.5%,7 次谐波电流为基波电流的 12%,如果将整流相数增加到 12 相,则 5 次谐波电流下降到 4.5%,7 次谐波电流下降到 3%.
