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1谐波产生及危害
谐波的危害及其抑制措施
深圳市盛弘电气有限公司
目录
一、谐波概述1
一、谐波概述1
二、谐波产生的原因2
三、谐波的危害2
3.1谐波对变压器的影响3
3.2谐波对供电线路的影响3
3.3降低配电系统的安全等级3
3.4谐波会损坏电力电容器3
3.5谐波对用电设备的影响4
3.6谐波对通讯系统的影响4
3.7谐波对计量的影响4
3.8谐波会影响产品的工艺质量4
四、抑制谐波的一般对策5
4.1加装无源滤波器5
4.2加装有源滤波器5
4.3无源和有源滤波器对比6
五、盛弘Sinexcel有源滤波器对谐波的治理7
5.1盛弘Sinexcel有源滤波器工作原理7
5.2盛弘Sinexcel有源电力滤波器的优势8
5.4加装盛弘SinexcelAPF对客户的效益9
六、盛弘SinexcelAPF案列10
6.1上海卷烟厂谐波治理案例10
6.2艾默生网络能源有限公司谐波治理案例11
谐波的危害及其抑制措施
1、谐波概述
理想状态下,优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压。
但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形,即产生谐波。
我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国工业用电频率以50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量,称为谐波。
在供电系统中,产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称为非线性负荷)供电的结果。
这些非线性负荷在工作时向电源反馈谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,使电力质量变坏。
因此,谐波是电力质量的重要指标之一。
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。
谐波频率是基频率波的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何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l00Hz,3次谐波则是150Hz。
谐波会引起电气没备(电机、变压器和电容器等)附加损耗和发热,使同步发电机的额定输出功率降低,转矩降低,变压器温度升高,效率降低,绝置的工作精度和可靠性等。
谐波注入电网后会使无功功率加大,功率因数降低,甚至有可能引发并联或串联谐振,损坏电气设备以及干扰通信线路的正常工作。
供电系统中的谐波问题已引起各界的广泛关注,为保证供电系统中所有的电气,电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作,必须采取有力的措施,抑制和防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。
二、谐波产生的原因
在电力的生产,传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。
在发电环节,当对发电机的结构和接线采取一些措施后,可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。
在其它几个环节中,谐波的产生主要是来自下列具有非线性负荷都能产生谐波电流,产生谐波的设备类型有:
开关模式电源、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
三、谐波的危害
以前由于接入供电系统的非线性设备较小,在系统中引起的谐波电流也很小,所以对电力质量的影响不大。
随着电子技术的发展,使用大功率半导体开关器件以及各类开关电源的产品,如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉,信息技术设备等迅速涌入居民家庭,虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大,但这些设备数量大、分布广。
有些家用电器如电视机、空调器等在使用时具有集中的特点,在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出,这不但使接入该电网的设备无法正常工作,甚至造成故障,还会使供电系统中性线承受的电流超载。
供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面。
3.1谐波对变压器的影响
谐波电流和基波电流叠加,使得电流有效值加大,总电流增加会增加变压器导体损耗。
产生涡流损耗,涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。
感应电流流经绕组、铁芯以及变压器环绕的其他导体时,会产生附加发热,这部分损耗是以引起涡流的谐波电流的频率的平方增加,所以谐波危害更大。
此外谐波电流叠加在基波电流中增加了电流有效值还会降低变压器的容量,谐波还会引起变压器谐振,噪声增大等。
3.2谐波对供电线路的影响
由于集肤效应和邻近效应,线路电阻随着频率的增加会很快增加,在线路中会有很大的电能浪费;由于中性线电流通常很小,其线径一般较细,当大量谐波电流流过中性线时,容易产生大量的热量,从而破坏绝缘性能造成相间短路。
当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时,会在线路上产生很高的谐振电压,严重时会使电力设备绝缘击穿,造成漏电或电事故。
3.3降低配电系统的安全等级
配电系统中谐波的存在,会改变控制设备以及继电保护装置的性能。
谐波会引起控制设备、继电保护装置拒动作或·误动作,造成保护系统运行可靠性降低,容易造成不必要的供电中断或损失。
3.4谐波会损坏电力电容器
在谐波电压作用下,电容器会产生额外的功率损耗,加速电容器的老化,缩短电容器的运行寿命。
此外,当电容器支路的谐振频率与某次谐波分量的频率接近或相等时,会产生谐振现象而放大谐波电流,使得电容器容易过热、过压而不能正常运行,甚至损坏。
3.5谐波对用电设备的影响
正常的用电设备均是按照标准设计的,当谐波含量很高时,会导致用电设备运行异常,甚至损坏用电设备。
如谐波对电机的影响,电机受谐波电压的影响较大,在电机里表示为谐波磁链,谐波磁链在转子中感应出高频电流,会引起电机下降、发热、震动和高频噪声。
3.6谐波对通讯系统的影响
配电系统或终端设备中的谐波电流,将对同一线路中的通讯线路产生干扰。
一般情况下。
540Hz值1200Hz范围内的谐波产生的干扰危害性最大。
3.7谐波对计量的影响
配电系统中广泛采用的模拟式仪表,如电压表、电流表、功率表、无功功率表、电能表和仪用互感器等,在谐波的影响下会出现测量误差。
3.8谐波会影响产品的工艺质量
常规用电设备均按照正弦波的标准设计的,当系统中谐波含量很高时,导致波形失真使得设备运转偏离正常状态,进而影响产品工艺品质。
四、抑制谐波的一般对策
随着电力电子技术的发展,接入电网的整流、换流设备和其他各种非线性负荷设备日益增加,这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网,危及电力设备、用户设备和电力系统的安全运行。
必须采取措施,抓紧治理,抑制电力系统谐波,把电网中的谐波含量控制在允许范围之内。
在谐波源设备已确定的情况下,在谐波源处安装滤波装置,吸收谐波电流,是防止谐波电流注入电网的有效措施。
对用户侧进行谐波治理通常采取接入无源滤波器或有源滤波器。
这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法,主要分为以下几种:
4.1加装无源滤波器
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、C、R元件构成无源网络,吸收负载产生的谐波电流。
低成本的无源滤波器是至今为止在滤除谐波时使用最为广泛的补偿装置,用其抑制谐波在经济上和技术上都可以接受。
其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。
此外,它只能消除特定次谐波,导致整个装置占地面积大。
因而随着电力电子技术的不断发展,人们将滤波研究方向逐步转向电力有源滤波器。
4.2加装有源滤波器
无源滤波器虽然能减少谐波分量,抑制某些谐波,但却不能对变的高次谐波动态补偿。
现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器APF(ActivePowerFilter)。
APF能对幅值和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿。
利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。
有源滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络,因此可以分为并联有源滤波器和串联滤波器。
其基本结构是一个DC\AC逆变桥与\或一个谐波注入电路。
按照PWM逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有源滤波器。
与无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。
4.3无源和有源滤波器对比
对比项目
无源滤波器
有源滤波器
工作原理
由LC等无源元件组成,设计为在某频率下呈极低阻抗,使谐波电流流入,其滤波模式为谐波电流旁路。
往电网中注入一个与负载谐波电流大小相等,方向相反的谐波的电流,从而达到滤波的目的。
谐波阶次处理能力
差,无源滤波器只针对固定频率进行补偿,滤波效果依赖于系统阻抗特性且容易发生谐振。
好,动态补偿谐波,滤波效果受系统阻抗影响小且不易发生谐振。
同时补偿谐波和无功,可以连续调节无功功率大小,补偿性能不受电网频率影响。
5、盛弘Sinexcel有源滤波器对谐波的治理
盛弘有源滤波器的治理方法先进,滤波效果显著,且具有优越的性价比。
在中国,意大利,新加坡,马来西亚,香港,韩国,泰国等几十个国家,在三十种以上的应用行业中的治理效果表明在治理谐波方面,选择盛弘有源滤波器(ActivePowerfilter,APF)是一项明智的选择。
5.1盛弘Sinexcel有源滤波器工作原理
工作原理:
有源电力滤波器通过外部电流互感器,实时检测负载电流,并通过内部DSP计算,提取出负载电流的谐波成分,然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等,方向相反的谐波电流注入到电网中,达到滤波目的。
5.2盛弘Sinexcel有源电力滤波器的优势
Ø基于DSP+CPLD的全数字控制技术(3个DSP+1个CPLD控制)
Ø优异的补偿特性(可同时滤除2~50次谐波)
Ø先进的并联功能(可实现多达8台并联无需增加任何功能卡)
Ø超宽的工作电压范围(输入相电压范围138V到276V)
Ø超宽的工作频率范围(工作频率范围45Hz到63Hz)
Ø动态补偿,快速响应时间小于300us,全响应时间为10ms
Ø500条历史记录
Ø配置图形LCD显示的多功能面板
Ø紧凑的结构设计和优秀的外观设计
Ø标准19英寸机柜的宽度
Ø简洁的现场安装调试
Ø在线式软件升级功能
Ø自诊断和自检测功能
Ø负载短路保护的功能
Ø系统效率高达97%
Ø谐波抑制率高达10倍以上
Ø智能补偿无功和三相不平衡补偿的功能
5.4加装盛弘SinexcelAPF对客户的效益
在采用有源滤波器(APF)对系统谐波污染进行治理后,可以有效的降低谐波含量,提高电能质量,以达到国标要求。
并且可以使配电系统得到如下效益:
1、减少谐波含量,避免电容器组和系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁,保证无功补偿柜的正常运行。
2、减小流过配电线路的电流有效值,提高功率因数,消除流过配电线路的谐波,从而大大减小线路损耗,降低配电线缆的温升,提高线路带载能力。
3、减少控制设备和继电保护装置误动作或拒动作,提高供电的安全和可靠性。
4、补偿三相不平衡,减少变压器和线路的铜损以及中线电流,提高供电质量。
5、减小变压器的附加损耗,降低噪声,提升变压器的带载能力。
6、APF接入后,还能提升变压器和配电线缆的带载能力,相当于对系统进行了一次扩容,减少了系统在扩容方面的投入。
7、进行谐波治理后,谐波对于控制系统精度的影响将大大减小,这样将会使搅拌机的运行工艺得到可靠的保障。
综上,在系统严重的谐波污染得以得到完美的治理后,既能提高全厂用电的安全性,稳定性,减少用电事故,用电故障,系统的整体运行效率将会得到提升,系统的安全稳定运行也可以得到有力的保障。
同时也极大的降低了向上游电网输入的谐波含量,满足了当地电力部门对下游用电部门的考核标准,真正实现了无污染的绿色电能。
因此谐波治理对系统的效益十分巨大。
六、盛弘SinexcelAPF案列
6.1上海卷烟厂谐波治理案例
上海卷烟厂是国有大型卷烟生产企业,税利过百亿,是全国卷烟行业的龙头企业。
伴随着经济效益的增长,卷烟生产的设备、技术也达也到了当今国际先进水平。
大量的现代化设备的应用除在提高生产效率、节约人力成本、节能等方面有突出的表现外,其特有的工艺特点使其产生了大量的谐波。
受谐波污染的供配电网存在较为严重的安全隐患,如变压器过热、中性线过载、设备异常跳闸、自控系统紊乱和电脑设备死机等等。
针对上述现象,我们对华为坂田中心的一台变频空压机进行谐波治理,该空压机为ATLAS公司的ZR315VSD型空压机,变速驱动部分采用的是SIEMENS公司生产的SIMOVERTMASTERDRIVESVectorControl矢量控制三相交流传动系统电压源型变频器产品,变频器功率为350KW。
该变频器是具有IGBT逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。
变频器是常见的非线性负载之一,其产生谐波的机理为:
变频器的主电路一般为交—直—交组成,外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号,经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。
在整流回路中,输入电流的波形为不规则的矩形波,波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波。
在逆变输出回路中,输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形,对GTR大功率逆变元件,其PWM的载波频率为2~3kHz,而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。
同样,输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波。
上海卷烟厂4#空压机采用SIEMENS变频器进行控制以达到调速和节能的目的,由于变频器特殊的工作特性使其在运行过程中产生大量的谐波并对整个供电网产生了污染,并对供电网中运行的其它设备以及空压机自身的稳定运行都产生了影响。
通过对变频空压机设备所处配电网认真分析和详尽的谐波情况测试后,经过对滤波产品的多次论证,我们选用了Sinexcel有源滤波器进行谐滤治理,从运行情况来看,效果是明显的。
变频空压机在安装了有源滤波器后,在电能质量改善方面产生了较为明显的效果:
总谐波电压畸变率(THDu)下降了7%,总谐波电流畸变率(THDi)降至4%;电流有效值(RMS)下降了12%;功率因数、电压有效值得到了提高;变压器和电力电缆由于谐波的存在而导致的温升、变压器噪声、电子设备的故障率以及开关和继电保护的非正常跳闸都得到一定的改善。
6.2艾默生网络能源有限公司谐波治理案例
艾默生网络能源有限公司是美国艾默生公司下属子公司,在中国设有28个办事处及29个用户服务中心。
艾默生网络能源有限公司拥有业界最宽、最完整的网络能源产品线,拥有业界领先的网络能源技术、研发、产品制造及服务平台。
艾默生福永工业园是艾默生网络能源有限公司在中国大陆的一个重要产品生产基地。
工厂里使用的空调、风机等负载由于变频器的广泛应用,在提高电能使用效率的同时也带来了严重的谐波污染。
实际测量的某处空调用电的输入电流波形如图6.1所示,波形畸变严重,总电流谐波畸变率超过了50%。
经综合比较各种滤波方案及包括ABB、施耐德等各公司的产品,艾默生网络能源有限公司选择了SinexcelAPF解决配电系统中存在的谐波问题。
图6.2为使用了SinexcelAPF补偿后的输入电流波形,波形接近完美正弦,总电流谐波畸变率低于5%,谐波抑制率超过10倍。
SinexcelAPF的应用明显提高了艾默生福永工业园配电系统的供电质量,对于工厂的安全生产、质量管理具有重要的意义,受到了艾默生网络能源有限公司的高度评价。
图6.1补偿前的输入电流波形图图6.2补偿后的输入电流波形图
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