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电能质量和谐波

一、什么是电能质量?
        电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压向用户供电,但由于系统工程中的发电机,变压器和线路等设备非线性或不对称,负荷性质多变,加之调控手段不完善及运行操作,外来干扰和各种故障等原因,这种理想境界的状态并不存在。因此产生了电网运行,电力设备和供用电路环节中的各种问题,也就产生了电能质量的概念。围绕电能质量的含义,从不同角度理解通常包括电压质量,电流质量,供电质量,用电质量。
二、目前针对电能质量问题研究的主要内容有哪些?
  目前研究和解决电能质量问题已成为电力发展当务之急。主要研究课题包括:
(1)研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取相应的对策。
(2)研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的措施。
(3)研究电能质量污染对高新技术企业的影响并采取相应的技术手段。
(4)加强电能质量控制装置的研制。
三、什么是谐波?
  1、谐波定义
      供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波,称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量,使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其频率范围一般为2≤n≤40。
   
  多种谐波特征的表示图如下:
谐波是主电网频率的倍数。 " 术语“电网谐波 " 也被使用。
      电网频率 f = 50 赫兹
      3 次谐波 f = 150 赫兹
      5 次谐波 f = 250 赫兹
      7 次谐波 f = 350 赫兹等用傅立叶分析能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。
 
  2、谐波源
      向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源,例如带有功率电子器件的变流设备,交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备,例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的,其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况,而与电网参数无关,故可视为恒流源。 各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关,称为该电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为: …(正整数)
式中p为一个电网周期内脉冲触发次数(或称脉动次数)。除特征谐波外,在三相电压不平衡,触发脉冲不对称或非稳定工作状态下,上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波,如果5,7,11,13次等。对于p脉动的变流电路,假定直流侧电流为理想平滑,其网侧n次谐波电流与基波电流之比为:
式中为换流重叠角。,估算时可取。如直流侧电流波纹较大,则5次谐波幅值将增大,其余各次谐波幅值将减少。 当电网接有多个谐波源时,由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同,其和将小于各分量的算术和。 变压器激磁电流中含有3,5,7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法,为3次谐波提供了通路,故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时,可使3次谐波的残余分量(最多可达20%)进入电网。


3、谐波传输
      对于多电压等级的电网,其谐波阻抗的特点是Zn(高压侧)Zn(低压侧)。谐波电流由低压侧流向高压侧,其大小基本上与高压侧参数无关,可视为恒流源。谐波电压由高压侧传输到低压侧,可视为恒压源。在进行谐波分析时,就是根据这个原则构造电网的谐波等效电路。
1.电网元件的频率特性
      在谐波频率范围内,由于涡流和漏磁场的作用,电网元件的谐波参数要考虑长线效应,即变压器和导线的等效电阻R随频率的上升而增加,等效电感L随频率的上升而降低。电缆、导线和电容器的电容C基本不随频率变化而保持恒定。负载阻抗与频率的关系依负载的不同而异。电机类负荷在简化分析时可只考虑其漏感。电机漏感Lsn的频率特性与变压器相似。
2.电网等效电路
      电网可以由电网各元件的谐波参数Rn,Ln和Cn组成等效网络。三相对称电网的等效电路图通常采用单相表示。根据等效电路计算各频率下的节点导纳矩阵Yn,求出阻抗Zn=,计算谐波电压Un=ZnIn。
电网在某些谐波频率下会发生并联谐振,导致谐波电流大幅度增加。
电网的并联谐振频率按下式计算:
式中 Sk为节点B的短路功率(MVA);
Sc为电网充电功率(包括并联电容器的功率,MVA)。
谐振回路品质因数Q的大小取决于谐振频率和电网的负荷率,负荷率下降,品质因数升高。低压电网的品质因数为2~3,高压公用电网为2~5,高压工业电网约为10。低压电网无并联电容器时,其谐振频率一般不在谐波范围内。


4、谐波限值
      为使电网谐波电压保持在允许值以下,必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则,即在一个共同的电磁环境中,电气设备既能正常工作,又不得过量地干扰这个环境。我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量:公用电网谐波》,规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值(见第三部分表1及表2)。
四、谐波产生的主要原因是什么?
  (1)来自用户的非线性负荷。非线性用电设备是产生谐波的主要原因,由于非线性设备产生的谐波电流通过系统网络注入到系统电源中,畸变电流经系统阻抗使母线电压发生畸变,使电能质量受到污染。如化工行业的高频炉、电解设备,钢铁行业的炼钢炉、大型轧机、硅整流设备等,它们向电网取用基波电流的同时,产生出数次谐波电流注入系统。这些负载的谐波没有随不同负载变化的特征,从而使注入网络的谐波电流出现忽大忽小、时隐时现的现象。


(2)来自系统的影响。其一,系统交流发电机内部的定子和转子间的气隙,由于受到铁心齿、槽或工艺的影响,分布不均匀,虽然各相电势的波形对称,但三相电势中含有一定数量的奇次谐波;其二,系统电网中大量变压器的励磁电流含有奇次谐波成分,当变压器空载或励磁时更为严重,并由此构成了主要的稳定性谐波源;其三,当电网中投切空载变压器或电容器时,其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。系统的标准频率。通常也称为工频。(基波频率)。
      谐波是指多少于工频率的波形,简称“次”,是指从2次到30次范围,如5次谐波电压(电流)的频率是250HZ,7次谐波电压(电流)的频率是350HZ。13次以上的谐波称为高次谐波。
      电力系统中作用在同一线路中的数个不同频率的正弦电势,使得电路中的电流成为各个不同频率电流分量的叠加值,从而形成谐波电流。
五、谐波是怎样进行分类的?
  谐波主要根据频率和相序特性进行分类。
(1)、根据频率分类
根据工频基波整数倍的频率可分为2次谐波(100HZ)、3次谐波(150HZ)、……。非工频基波整数倍的谐波称为间谐波。
(2)、根据相序旋转作用分类
根据相序旋转作用可分为负序谐波、零序谐波、正序谐波三种。分别对应2、3、4次谐波,并依次类推分别对应5、6、7次谐波,8、9、10次谐波……。其中正序谐波包括基波频率,为正身旋转。负序谐波为逆向旋转,产生的磁场抵消基波产生的磁场。零序谐波不旋转,但会叠加到三相四线制系统的中性线上。在三相四线制系统中,一些谐波能够相互抵消,另一些谐波却会相互叠加,致使谐波被放大。
六、谐波源主要包括哪些设备?
  (1)电力电子设备
电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统等。由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路,如整流和变频电路,其负载性质一般分为感性和容性两种,感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。而容性负载的单相整流电路,由于电容电压会通过整流管向电源反馈,属于电压型谐波源,其谐波含量与电容值的大小有关,电容值越大,谐波含量越大。变频电路谐波源由于采用的是相位控制,其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波,还含有非整数倍数的间谐波。
(2)可饱和设备
可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。可饱和设备是非线性设备,其铁心材料具有非线性磁化曲线和磁滞回线,在正弦波电压的作用下,励磁电流为对称函数,并满足:f(ωt+π)=-f(ωπ)。应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项,对于三相对称的变压器,3次谐波的奇数倍(3次,6次,9次……)谐波均为零序,可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响,谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程序等有关,变压器空载时,铁心的饱和程度越高,谐波电流就越大。与电力电子设备和电弧设备相比,可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下,其谐波的幅值往往可以忽略。
(3)电弧炉设备及气体电光源设备
(a)电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。
(b)气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯灯。根据这类气体放电光源的伏安特性,其非线性特性十分严重,同时含有负的伏安特性。而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联,并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。由于镇流器的非线性相当严重,其中三次谐波含量再20%以上,其特性为对称函数,只含有奇次谐波,所以气体电光源设备属于电流源型谐波源。
七、产生不同谐波量分布的行业有哪些?
  下图所提供的不同行业产生不同谐波量的分布情况,是日本电气学会公布的统计结果。
 
八、根据产生谐波的规律应包括几种谐波源?
  (1)、稳态谐波源
稳态谐波源的特点是当系统网络中的感性和容性负荷不变时注入网络中的谐波电流的谐波幅值也不变。稳态谐波源包括系统网络中的发电机、变压器、电动机、整流设备等。
(2)、暂态谐波源
暂态谐波源的特点是网络稳态运行时不会向系统注入高次谐波,仅在过度过程中产生暂态性谐波电流,持续时间在数毫秒到几十毫秒之间。暂态谐波源包括变压器空载投运时励磁涌流中的谐波电流、电容器合闸涌流(2、3、4次)的谐波电流等,这种谐波电流往往会引起系统谐振和产生过电压。
(3)、动态谐波源
动态谐波源的特点是谐波随负荷的变化而剧烈变化。动态谐波源包括大容量的冲击负荷、电弧炉的启动、电气机车的换流设备等。
(4)、间谐波源
间谐波源的特点是放大电压闪变和音频干扰,影响电视机画面及增大收音机的噪声,造成感应电动机振动及异常,间谐波源包括所有非线性的波动负荷(如电弧炉电焊机等)各种变频调速装置、同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐波源。因此,间谐波源广泛存在于电力系统中。

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