干货 | 非线性负荷/谐波对电力系统的影响!

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01-18 16:43 首页 云回路

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随着工业技术的发展,不断有新的电力电子装置和其他非线性负荷(又称为畸变负荷)接入电网,导致电网谐波水平逐年升高。这些非线性负荷在电网中产生的谐波会不同程度地影响电能质量,甚至会引发严重的电气设备事故。

要了解非线性负荷,必须先了解谐波和谐波畸变的几个常识。


1.谐波畸变的定义
电力系统中的线性负荷不产生谐波,谐波畸变是由电力系统中的非线性设备引起的,流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。虽然加在设备上的电压是理想的正弦波,但流过其中的电流却是非正弦的,即出现了谐波畸变的问题。当电压有较小增加时,电流可能成倍增加,并且其波形也将发生变化。


谐波畸变波形▲



2.谐波畸变产生的原因
电力系统谐波的产生主要来自电源和负荷两大方面:其一是发电机和变压器制造上的缺欠以及风能、太阳能发电方式造成的;其二则是用户端非线性负荷造成的。就电网的发展来看,后一种原因即非线性负荷的飞速发展较前者影响更大,是造成谐波污染的主要根源。


当某一负荷施加正弦电压,其电流若和该电压及负荷阻抗成正比例关系,并随电压波形的变化而变化,这种负荷就叫做无畸变的线性负荷,如电阻性负载、恒速电机和同步电机等;当某一负荷在每半周期产生的电流和施加的电压不呈比例关系,而是呈现出非正弦畸变波形,这种负荷就属于非线性负荷,如大容量闸晶管、可控硅整流器、逆变器、变流器等电子设备,以及电弧炉、化工电镀设备、变频起动电动机,甚至蓄电池充电器、镇流器等。不可否认,这些技术型设备在提高系统传输能力,改善了人民生活水平,但同时也使电力系统中产生了大量的高次谐波,从而加剧了电网电压、电流波形畸变水平,恶化了电网运行状况,导致电网谐波污染日益严重。其后果是电能质量降低,损耗增大,损坏设备,甚至引起系统故障。


基频与高次谐波(此图应该是国外引过来的,我国基频50Hz,3次谐波150Hz,了解即可)▲


上述概念性知识应该是每一个电力从业者应该熟练掌握的基础知识,下面要讲的的谐波危害形式、影响分析也是应该作为了解的环节。尤其是解决措施,掌握后也是对工作非常有帮助的。

非线性负载▲



3.非线性负荷的特性及其对电力系统的影响
非线性负荷作为谐波源,向电力系统注入了大量的高次谐波,这些高次谐波直接影响了电力系统的安全运行和电气设备的正常工作,对电力系统和电气设备带来极大的威胁。


(1)非线性负荷的特性


a.产生大量的谐波污染。所有的非线性负荷都不同程度的产生谐波,冲击性负荷特别是炼钢电弧炉几乎产生连续频谱的谐波电流,甚至产生大量的分数次谐波。


b.引起电压波动及电压闪变。


c.产生负序电流。负序电流的产生主要是由于非线性负荷的不对称性引起的,其主要负荷为交流电弧炉及电气化铁道的机车。


(2)非线性负荷对电力系统稳定的影响


谐波导致供电电压波形畸变,劣化公共连接点(PCC)供电质量。同时,谐波电流进入电网后有发生谐振的潜在危险,谐振的后果将出现大范围、大幅度的过电压、过电流问题,进一步威胁电力系统的安全稳定运行,主要表现为:


a.大量谐波能使继电器、自动装置拒动或误动,如零序电流过大就可能造成接地保护误动;


b. 谐波数量大时能使系统中反映工频正弦量的多数监视、测量表计产生误差;


c.谐波会影响通讯系统通话的清晰度,严重时发生谐振,干扰整个通讯系统;


d.谐波能导致长距离输电线单相重合闸失败;


e.谐波能影响避雷器安全运行和损坏互感器;


f.谐波可使功率因数补偿效果变劣;


g.系统谐波严重时能使计算机系统失灵。


因此,谐波问题不仅造成对非线性负荷自身利益的损害,而且构成了对电力系统较大威胁的公害,必须加以限制和消除。


4.非线性负荷对电力系统设备的影响
高次谐波在电力系统中传递,将引起铜损和铁损增大,设备过热,产生噪声。另外,高次谐波的负序分量有可能使旋转设备产生反方向转矩,造成机械损伤和热耗。当电压含有高次谐波时,使得电器设备的绝缘水平受到威胁,介质损耗增加,充电电流增大,从而引起各种故障,主要表现为:


(1)电力电容器的过负荷和损坏;


(2)旋转设备和电力变压器的损耗增加(过热),从而造成容量的相对降低;


(3)电力电缆的容量降低;


(4)导致长距离输电线路单相重合闸失败(延缓了电弧的熄灭时间);


(5)使开关的开断更加困难;


(6)影响到避雷器的正常运行;


(7)导致电压互感器的损坏;


(8)导致自动装置、继电保护误动或拒动,电子仪表失灵。


5.抑制非线性负荷对电力系统的影响

综上所述,相信大家都应该明白本节应该主要讲解如何抑制电网中的谐波了。电网三大公害:谐波公害、电磁干扰公害、功率因素公害,谐波公害排首位,可见谐波危害的普及性和抑制谐波影响的重要程度。抑制谐波的主要措施有:


(1)由短路容量大的电网供电。


(2)装设滤波器。

当并联电容器组附近有谐波源,谐波电流超过规定允许值时,应在回路中设置串联电抗器以抑制谐波电流,并限制合闸时的涌流。


(3)选用D,yn11接线的变压器,为3次谐波电流提供环流通路。


(4)降低谐波源的谐波含量。


也就是在谐波源上采取措施,最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极,能够提高电网质量,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用(该技术主要针对大型整流系统而言)。


a.增加整流器的脉动数:整流器是电网中的主要谐波源。脉波越多,对谐波的抑制效果越好,但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂,体积越大,变流器的控制和保护变得困难,成本增加(小编认为:一级负荷必须配备,二级负荷理应配备)。


b.脉宽调制法:脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻,保证四分之一波形的对称性。


(5)在谐波源处吸收谐波电流


这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。目前常用的方式采用有无源滤波装置和有源滤波装置等。

本文作者:牛视。我们注重分享,版权归原作者。

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