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谐波对电表及用电设备的影响

一般情况下,电网中引起谐波的主要因素包括负载侧的各种变流装置、具有磁饱和特性的装置以及非线性不平衡电路等,电源侧的发电机的线槽间隙谐波、输电线路电晕放电、系统的不对称运行或不对称故障等。在电力电子装置广泛应用以前,由于电力系统谐波未对生产和生活产生严重的影响和危害,因此只把供电频率和电压幅值的稳定程度及其与额定值间的差异作为衡量电能质量的标难。

随着电力电子技术的发展,供电系统中增加了大量的非线性负载,特别是以开关方式工作的静止变流器,从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用,它是一种非线性时变拓扑负荷,不可避免地会产生非正弦波形,向电网注人谐波,已成为电网中的公害。供电系统中还有电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其他非线性负载,都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波,甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波,虽然单个装置的容量不大,但由于数量很多,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备,其危害还主要表现在以下几个方面:

1)电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比,因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多,从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多,即使电压中谐波所占的比例不大,也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下,很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流,从而导致电容器因过流而损坏。

2)增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁心中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系,定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外,谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。

3)增加输电线的损耗,缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降,另一方面增加了输电线路上的电流有效值,从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下,谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度,这会影响电缆的使用寿命。据有关资料介绍,谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。

4)增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效应和邻近效应,在绕组中引起附加铜耗,同时也使铁耗相应增加。另外,3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流,这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说,如果负载电流中含有直流分量,会引起变压器的磁路饱和,从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。

5)造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性,这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时,依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、频率等继电器均会起拒动和误动的影响,保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大,可能引起接地保护误动作。

置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大,可能引起接地保护误动作。

6)引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的,如果供电的波形发生畸变,仪表则容易产生误差。比如,感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏,频率越高,误差越大,而且为负误差,当频率约为1000HZ时,电能表将停止转动。

7)干扰通信系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化,该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压,该脉冲电压所包含的谐波频率较高,甚至达到1MHZ,因而会引起电磁干扰,对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通信线路,谐波的影响都很大。

8)延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上,较大的谐波电流会使电弧熄灭延缓,导致单相重合闸失败,扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的DIDT值过大,导致断路器断弧困难,影响断流能力。

9)对其他设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响:

1)导致功率开关器件控制装置误动作;

2)导致功率开关器件故障而损坏;

3)使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏;

4)对计算机产生干扰;

5)影响互感器的测量精度;

6)使熔断器在没有超过整定值时就熔断;

7)影响功率处理器的正常运行;

8)影响电视机的画面质量;

9)影响电子显微镜的清晰度;

10)影响其他换流设备或其他任何由电压过零所控制的设备的同步。

以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导,开关器件功率处理能力和切换速度有了显著提高,电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大。有资料分析,2000年一些发达国家50%以上负载通过电力电子装置供电。在电价较高的国家,电力电子技术的应用市场可能会更大。有专家统计,我国目前电能的30%是经过各类功率变换后供用户使用的。随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等,电力电子装置的潜在负作用将日益突出。同时,家用电器、精密仪器设备发展迅猛,越来越多的电气用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。这样,越来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。

综上所述,对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了,谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此,无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度,还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度,有效地治理谐波,将其限制在允许范围之内,还电网一个洁净的电气环境,营造绿色电网,已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低,对电力科技工作者来说,谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。


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