国家标准GB3485—83中第1.14条规定:“企业要采取相应措施抑制用电设备谐波分量的产生。”本文对谐波的产生、危害作分析,并提出抑制措施,以提高电能质量,改善电器设备运行环境。
1、谐波的产生
企业供电设备中,存在着许多引起高次谐波电流的因素。主要是晶闸管整流装置、电弧炼钢炉、电焊机、变压器等这些电压与电流呈非线性关系的元件。例如,接入电网的晶闸管整流装置,相当于在电力系统内装设了高次谐波发生器。谐波的成分及幅值与整流器的接线、控制角α、重叠角γ和负荷的特性等因素有关。谐波电流的大小,在变压器一次电流为梯形波(当整流变压器为Y,yo接线时)的理想情况下,其谐波电流有效值为
I=I1/n
式中:I1—基波电流有效值,A n —谐波次数
2、谐波的危害
谐波源所产生的高次谐波,其影响不止局限于一个企业或一条线路,而是普遍地使与母线相联的所有线路上的发、供、用电设备的电压和电流波形发生畸变,其危害归纳起来主要有:
(1)使电网的电压和电流波形发生畸变,导致电能指标变坏;
(2)使电气设备如电动机、发电机、移相电力电容器等的铁损增加而过热;
(3)使电器设备的电介质加速老化,绝缘寿命缩短;
(4)谐波电流的存在使感应式电气测量仪表指示不准确,影响控制、保护、检测装置的工作精度和可靠性;
(5)对电子控制、音频控制、继电保护等系统,造成误触发、误动作等现象;
(6)对音频电话及通信产生噪音和干扰,严重影响通话质量。尤以16-21次(即800-1050Hz)谐波分量的干扰作用最强。
(7)若移相电容器配置不当时,可能在某一高次谐波的作用下引起谐振。
因此,国家规定企业向电网注入的各次谐波电流不得超过允许值,对高压末级6kv或10kv系统而言,其允许值如表1所示。
若企业采取措施后仍超过表1规定的允许值,那么也不应超过表2中谐波电压畸变率指标,否则还应进一步采取措施使之降低。
3、抑制方法
(1)整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y接线
三相晶闸管整流装置的整流变压器,采用Y/Δ或Δ/Y接线 时,可抑制3的倍数次的高次谐波。其特点是:在三相系统内,通过傅氏级数分解可以看出,所有3的倍数次的高次谐波分量,其幅值相等,相位一致。
①当整流变压器采用Y/Δ接线 时,如图1所示,当高次谐波电流从晶闸管装置反窜到变压器副边绕组内时,其中3的倍数次的高次谐波电流i3Σ因相位一致,即在Δ接绕组内产生环流,能量消耗在绕组的电阻中,在绕组端子上就不会出现3的倍数次的高次谐波电势,所以自然就抑制了3的倍数次的高次谐波。
②当整流变压器采用Δ/Y接线 时,如图2所示,当高次谐波电流从晶闸管装置反窜到变压器副边绕组内时,其中3的倍数次的高次谐波电流因无回路可通,所以自然就被抑制而不存在,但将导致铁心内出现3的倍数次的高次谐波磁通。这些高次谐波磁通(三相相位一致)将使变压器原边绕组各相内产生3的倍数次的高次谐波电势,从而产生3的倍数次的高次谐波电流,因为它们相位一致,只能在Δ绕组内环流,将能量消耗在绕组电阻中,故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电势。
因此,在整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y接线 时,其电源端的高次谐波中都无3的倍数次谐波,而只有5、7、11、13、17等次谐波。
A |
C |
B |
a |
c |
b |
i |
3∑ |
图1 |
(2)增加整流器的脉冲次数,改善电网电压波形
晶闸管整流装置的脉波次数越多,则整流后的电压或电流脉动曲线越平坦,高次谐波电压含有率K0(高次谐波电压有效值/无负荷控制时的直流电压,%)越低,并且晶闸管的控制角α(0≤α≤900)越小,高次谐波电压含有率越低,因而可通过三相电源组成的各相整流电路的利用,降低高次谐波电压含有率,提高电能指标。
(3)采用滤波电路,改善电网电能指标
调谐滤波器有L-R-C等元件组成串联谐振回路,由于它对谐波电流来说,阻抗很小,因此,能吸收谐波,不让其注入电网。
对于电网中的5、7、11、13等次谐波,有针对性地装设调谐滤波电路,滤波器采用单谐振串联L-R-C回路三相Y接,并联于整流变压器侧母线上,L、R、C参数的选择根据想去掉哪一次高次谐波而定,按下式选择L和C:
kωL- = 0
式中:k— 要滤去的谐波次数,如5、7、11等
R值的选择根据能限制滤波回路的电流值以确保L和C的安全为原则。
加装滤波电路后,可将高次谐波部分滤除,就能保证总的电压畸变率极限值不超标。