1、諧波對(duì)供配電系統(tǒng)的影響及其對(duì)策北京江海勝業(yè)電力科技有限公司李軍二九年三月李軍：李軍（勝業(yè)集團(tuán)）北京江海勝業(yè)電力科技有限公司（勝業(yè)集團(tuán)）北京江海勝業(yè)電力科技有限公司 總工程師（高級(jí)工程師）總工程師（高級(jí)工程師）中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置技術(shù)專家學(xué)中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置技術(shù)專家學(xué)組委員組委員中國(guó)電力電容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員中國(guó)電力電容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)委員1982年畢業(yè)于西安交通大學(xué)年畢業(yè)于西安交通大學(xué)長(zhǎng)期從事無(wú)功元器件（電容器、電抗器等）的材料、長(zhǎng)期從事無(wú)功元器件（電容器、電抗器等）的材料、制作工藝的研發(fā)以及無(wú)功補(bǔ)償、濾波裝置在供、配制作工藝的研發(fā)以及無(wú)功

2、補(bǔ)償、濾波裝置在供、配電系統(tǒng)中的推廣、應(yīng)用工作電系統(tǒng)中的推廣、應(yīng)用工作 自我介紹自我介紹0. 前言：?jiǎn)栴}的提出（一） 隨著我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)化進(jìn)程的加快，新型的電力電子裝置（絕大多數(shù)是非線性負(fù)載），尤其是功率轉(zhuǎn)換（整流、逆變）設(shè)備的廣泛應(yīng)用，以及電力電容器組在電力系統(tǒng)的大量使用，使得電網(wǎng)中的諧波分量急劇增加，從而造成了電能質(zhì)量的劣化；0. 前言：?jiǎn)栴}的提出（二） 頻繁發(fā)生的設(shè)備故障和供、配電系統(tǒng)的異常現(xiàn)象，已危及到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和電力部門(mén)（供、配電系統(tǒng)）的有效運(yùn)營(yíng)； 現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備不能正常工作（或損壞）的主要原因也是由于諧波的影響； 當(dāng)前，電網(wǎng)中的“諧波污染”問(wèn)題日趨嚴(yán)重， 也引起相關(guān)部門(mén)及人

3、員的關(guān)注，已經(jīng)到了必需解決的時(shí)候了！1. 諧波的概念（一） 什么是諧波？ 諧波是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解后，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量外，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量成為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值稱之為諧波次數(shù)。 諧波頻率是主電網(wǎng)（系統(tǒng)）工作頻率的倍數(shù)。 不是主電網(wǎng)頻率整數(shù)倍的諧波稱之為分?jǐn)?shù)諧波。1. 諧波的產(chǎn)生（一） 諧波是如何產(chǎn)生的？ 由于半導(dǎo)體晶閘管的開(kāi)關(guān)操作和二極管、晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備，如：功率轉(zhuǎn)換器等，較大地偏離正弦曲線波形。 諧波電流的產(chǎn)生是與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)的。功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)越高，最低次諧波次數(shù)的頻率的次數(shù)就越

4、高。1. 諧波的產(chǎn)生（二） 諧波是在什么地方產(chǎn)生的？ 諧波主要有諧波電流源產(chǎn)生： 當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)（或稱非線性電力負(fù)荷），設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成為電力系統(tǒng)的諧波源。1. 諧波的產(chǎn)生（三） 產(chǎn)生諧波的設(shè)備裝置及分類 電力系統(tǒng)中主要的諧波源可分為兩類：.含有半導(dǎo)體非線性元件的設(shè)備；.含電弧和鐵磁的非線性設(shè)備； 例如：照明控制系統(tǒng)（亮度調(diào)節(jié)）； 整（變換）流器； 變頻器； 開(kāi)關(guān)電源（計(jì)算機(jī)、電視機(jī)）； 電動(dòng)機(jī)調(diào)速設(shè)備； 自感飽和鐵芯； 不間斷電源（UPS）； 機(jī)床；電子控制機(jī)構(gòu)； 電焊設(shè)備； 電

5、弧爐； 變壓器；1. 諧波的產(chǎn)生（四）諧波源的種類：電力電子裝置：是目前電網(wǎng)中最嚴(yán)重的諧波源，并有單項(xiàng)和多相之分。 整流電源裝置 ； 逆變電源裝置； 交流調(diào)壓裝置；1. 變頻裝置；1. 諧波的產(chǎn)生（五） 諧波源的種類：2.電弧爐： 一般交流電弧爐主要用于鋼鐵冶煉； 直流電弧爐（整流饋電-電力電子）； 鐵合金礦石爐； 電石爐（礦熱爐）；1. 諧波的產(chǎn)生（六） 諧波源的種類：3.家用電器： 日光燈、調(diào)光燈、家用充電器； 電視機(jī)； 電冰箱； 空調(diào)機(jī)； 調(diào)速風(fēng)扇；1. 諧波的產(chǎn)生（七） 諧波源的種類：4.高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備：電子計(jì)算機(jī)；傳真機(jī)；敏感電子器件；功調(diào)器；激光切割設(shè)備；核磁共振設(shè)備；衛(wèi)星

6、傳送器；節(jié)能燈（高壓鈉、汞燈及其它氣體放電燈）；2. 諧波的影響(危害）（一） 在當(dāng)前的公用電網(wǎng)中，諧波污染與電磁干擾、功率因數(shù)降低等已被并列為電力系統(tǒng)的三大公害。 由諧波引發(fā)的故障：非線性用電設(shè)備電流諧波電流諧波電壓諧波2. 諧波的影響(危害）（二）隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、發(fā)展，非線性負(fù)荷的種類、數(shù)量和比重都在迅速的增加，諧波對(duì)電力系統(tǒng)的“污染”日趨嚴(yán)重，其對(duì)各種電氣設(shè)備，都具有不同程度的影響和危害。2. 諧波的影響(危害）（三）對(duì)供配電線路的危害對(duì)供配電線路的危害（1）影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行）影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行（2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量）影響電網(wǎng)的質(zhì)量2. 諧波的影響(危害）（四）2.對(duì)電力設(shè)備的危

7、害對(duì)電力設(shè)備的危害 對(duì)電力電容器的危害；對(duì)電力電容器的危害； 對(duì)電力變壓器的危害；對(duì)電力變壓器的危害； 對(duì)電力電纜的危害；對(duì)電力電纜的危害； 對(duì)消弧線圈的影響；對(duì)消弧線圈的影響； 對(duì)斷路器的影響；對(duì)斷路器的影響； 對(duì)避雷器的影響；對(duì)避雷器的影響； 對(duì)換流裝置的影響；對(duì)換流裝置的影響； 對(duì)電壓互感器的影響；對(duì)電壓互感器的影響； 對(duì)電力熔斷器的影響；對(duì)電力熔斷器的影響；2. 諧波的影響(危害）（五） （4） 對(duì)用電設(shè)備的危害對(duì)用電設(shè)備的危害; 對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害 對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害 2. 諧波的影響(危害）（四）(5) 對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾 諧波

8、對(duì)通訊的干擾影響；(6) 影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性影響電力測(cè)量的準(zhǔn)確性 諧波對(duì)常規(guī)電氣測(cè)量?jī)x表的影響； 諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響；(7) 諧波對(duì)人體有影響諧波對(duì)人體有影響2. 諧波的影響(危害）（五）諧波對(duì)電力電容器的危害 在電力系統(tǒng)中，電容器比其它元器件和設(shè)備更容易受到諧波的危害而損壞，主要是因?yàn)樗娜菪宰杩固匦砸约白杩购皖l率成反比的特性。2. 諧波的影響(危害）（六）容性阻抗：有可能和電網(wǎng)中大部分都是感性阻抗的電氣設(shè)備構(gòu)成（或接近）對(duì)某次諧波諧振的條件；阻抗和頻率成反比： 容易吸收電網(wǎng)中的高次諧波電流，對(duì)某次諧波電流產(chǎn)生放大作用，進(jìn)而造成流過(guò)系統(tǒng)以及電容器中電流的過(guò)載；2. 諧波的影響(

9、危害）（六） 諧波危害電容器的機(jī)理： 電效應(yīng)； 熱效應(yīng)； 機(jī)械效應(yīng)； 注意：各種效應(yīng)的影響是可以相互疊加的。2. 諧波的影響(危害）（七） 電效應(yīng)； 電力電容器（一般采用有機(jī)介質(zhì)材料）的壽命同樣遵循有機(jī)絕緣材料電老化的 一般規(guī)律： =KU-n式中：K常數(shù)； U電容器的端電壓； n79; 由上式可以得出以下結(jié)論： 施加在電容器兩端的工作電壓每上升10%，其壽命將縮短1/2(一半)。2. 諧波的影響(危害）（八） 熱效應(yīng) 電力電容器（一般采用有機(jī)介質(zhì)材料）的壽命同樣 遵循有機(jī)絕緣材料熱老化的一般規(guī)律： =KT-b式中：K常數(shù)； T電容器的工作溫度； b7.7； 由上式可以得出以下結(jié)論： 電容器的工

10、作溫度每上升8左右，其壽命將縮短1/2(一半)。2. 諧波的影響(危害）（九） 機(jī)械效應(yīng) 在諧波電壓的作用下，裝在構(gòu)架上的電容器的外殼與接線有可能產(chǎn)生機(jī)械力學(xué)上的共振。電容器內(nèi)部的極板在交變庫(kù)侖力與電動(dòng)力的作用下，也要產(chǎn)生彈性振動(dòng)。以上因素都會(huì)降低電容器局部放電電壓，導(dǎo)致電容器早期損壞。3. 諧波電流的危害（一） 非線性功率用電設(shè)備產(chǎn)生諧波電流。 諧波電流導(dǎo)致諧波電壓； 諧波電流使電容器及相關(guān)的元件過(guò)負(fù)荷； 易發(fā)生諧振，諧波電流被放大，導(dǎo)致更高的負(fù)荷，對(duì)電器元件帶來(lái)致命的毀壞；4. 諧波電壓的危害（一） 諧波電壓疊加在基波（正弦50Hz）上： 使供電電壓畸形； 電網(wǎng)電壓零點(diǎn)漂移（致使過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)

11、的電子設(shè)備的運(yùn)行被嚴(yán)重的干擾）； 繼電保護(hù)誤動(dòng)作； 載波控制器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)，以致發(fā)出錯(cuò)誤的指令；5. 諧波的治理（對(duì)策） （一） 為什么要對(duì)諧波進(jìn)行治理？ 諧波治理的目的： 減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流； 把諧波電壓控制在限定值以內(nèi)； 防止、避免系統(tǒng)出現(xiàn)諧振； ? 為了防止或避免諧振現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)為了防止或避免諧振現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)，必須采用帶系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)，必須采用帶電抗性的補(bǔ)償系統(tǒng)。電抗性的補(bǔ)償系統(tǒng)。5. 諧波的治理（對(duì)策） （二） 諧波治理的主要措施（方法）：1. -無(wú)源濾波器。 調(diào)諧式濾波器-用于吸收/清除系統(tǒng)中的主要諧波成分。 由電抗器、電容器及電阻器串

12、聯(lián)組成的諧振電路，并將諧振頻率調(diào)諧到系統(tǒng)中某一特定（主要）的諧波頻率（如：150、250、350、550、650Hz）附近。5. 諧波的治理（對(duì)策） （三） 非調(diào)諧(失諧)式濾波器-用于抑制系統(tǒng)中諧波電流的放大。 由電抗器、電容器串聯(lián)組成的諧振電路，并將諧振頻率調(diào)諧到低于系統(tǒng)中某一特定的（或最低次）諧波頻率，以避免（防止）諧振現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)具有部分吸收諧波的作用。5. 諧波的治理（對(duì)策） （四）2. -有源濾波器。 主要用于在諧波源處吸收/消除諧波源產(chǎn)生的各次諧波電流。?因因無(wú)源濾波器、有源濾波器無(wú)源濾波器、有源濾波器具有具有不同的不同的優(yōu)缺點(diǎn)，故而在工程上也經(jīng)常將二者組優(yōu)缺點(diǎn)，故而在工程上

13、也經(jīng)常將二者組合起來(lái)使用，可得到最佳的濾波效果。合起來(lái)使用，可得到最佳的濾波效果。5. 諧波的治理（對(duì)策） （五）3.-減少諧波影響的其他措施 增加換流裝置的脈動(dòng)數(shù)（相數(shù)）； 加裝交流濾波裝置； 改變諧波源設(shè)備的配置及工作方式； 加裝串聯(lián)電抗器； 改變?nèi)嗖黄胶舛龋?5. 諧波的治理（對(duì)策） （六） 加裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置； 增加系統(tǒng)承受諧波的能力； 避免電力電容器組對(duì)諧波的放大； 提高設(shè)備或裝置抗諧波干擾的能 力，改善諧波保護(hù)性能； 6. 供配電系統(tǒng)中諧波的評(píng)估（一） 每一個(gè)供配電系統(tǒng)都類似于有著一個(gè)或幾個(gè)自然頻率的諧振電路，并且可能有一個(gè)或幾個(gè)諧振點(diǎn)。所以，在擬對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償之前，為

14、避免出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，就必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量（諧波含量）的評(píng)估、分析，以確定采用什么性質(zhì)的補(bǔ)償方案（是否需要設(shè)置濾波支路、電抗率是多少等)。6. 供配電系統(tǒng)中諧波的評(píng)估（二） 評(píng)估的內(nèi)容、方法、步驟：1.調(diào)查系統(tǒng)內(nèi)是否存在諧波源？共有幾處？2.根據(jù)供配電系統(tǒng)的電氣配線圖，確定諧波電流的走向；3.測(cè)量系統(tǒng)中各次諧波電壓、諧波電流的分量及總含量；4.特別要提醒的是，在系統(tǒng)低負(fù)荷工作期間進(jìn)行調(diào)查、測(cè)試是尤其重要的，將為精確的測(cè)試數(shù)據(jù)和準(zhǔn)確的判斷，提供可靠的依據(jù)。6. 供配電系統(tǒng)中諧波的評(píng)估（三） 供配電系統(tǒng)中的諧振頻率fn ： fn=f0STr /(QcUK)1/2 式中： f0 ：電網(wǎng)的基波頻率（50Hz）； STr：供電變