抑制谐波节约能源提高电能质量
当今社会, 由于各种半导体器件和大规模集成电路等的广泛应用, 以及电子信息系统的广泛普及, 科技水平得到了迅猛发展, 人们的生活质量也得到了很大的提高。但是, 随之而来的是大量的谐波电流涌入交流电网之中。例如: 晶闸管或二极管整流设备; 冶金工业中炼钢电弧炉; 商业建筑及高层住宅中的电梯,空调和电风扇; 为计算机和其它重要设备供电的不间断电源(UPS); 气体放电灯以及家用电器中的电视机等等。这些电气设备的电压, 电流的波形实际上不是完全的正弦波形, 而是不同程度畸变的非正弦波。这些非正弦波根据傅里叶级数分析, 可分解成基波(50/60Hz)分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。这些谐波分量额外地增加了大量的有功和无功能耗, 甚至严重影响电气设备的安全稳定运行。
1 由于这些谐波分量的存在, 对电力系统产生了极大的危害
(1)使旋转电机, 变压器等电气设备由于过大的谐波电流而产生附加损耗, 从而引起过热, 使绝缘介质老化加速, 导致绝缘损坏。另外, 并联电容器的容抗随谐波次数的增大而减小, 因而使电容器过电流发热导致绝缘击穿的故障增多。
(2)使变压器产生磁滞伸缩和噪声, 电抗器产生振动和噪声, 感应电动机引起固定数的振动力矩和转速的周期变动。
(3)使相位控制设备的正常工作因控制信号紊乱而受到干扰, 如电子计算机误动作, 电子设备误触发, 电子元件测试无法进行等。
(4)使某些类型的继电保护, 如晶体管整流型距离保护, 变压器及母线复合电压保护由于相位变化而误动或拒动。
(5)使通信回路, 弱电回路产生杂音, 甚至造成故障。基于谐波的种种危害, 抑制谐波已成为节约能源提高电能质量的一个重要内容。下面是一个在某办公大楼内供电给计算机不间断电源设备(UPS)引起的谐波损坏以及如何抑制谐波的例子。由测量结果可看出, 当两段50kvar 的电容器投入后出现了严重的并联谐振, 将30A 的11 次谐波电流放大到283A, 同时电压的THD 值也增加到19.6%。而电容器组装上7%电抗器后, 无论投入几段电容器组, 谐波电流都没有被放大, 避免了谐振。所以为避免电容器组与系统产生并联或串联谐振, 应采用滤波或调谐式电容器组。在没有谐波量限制的地方, 可以使用调谐式电容器组。
那么调谐式电容器组的频率如何确定呢?
对于抑制5 次谐波XL =6%Xc
谐振放大几率: f0 =!Xc /XL =!1/0.06 =4.0850HZ, 4.08×50=204HZ; 60HZ, 4.08×60=245HZ, 频率范围为: 204HZ~245HZ,
对于抑制4 次谐波XL =7%Xc
谐振放大几率: f0 = Xc /X! L =!1/0.07 =3.7850HZ, 3.78×50=189HZ; 60HZ, 3.78×60=227HZ 频率范围为: 189HZ~227HZ,
对于抑制3 次谐波XL =14.8%Xc
谐振放大几率: f0 = Xc /X! L =!1/0.148 =2.650HZ, 2.6×50=130HZ; 60HZ, 2.6×60=156HZ, 频率范围为: 130HZ~156HZ
2 对于抑制谐波, 以上所采取的只是其中的一种措施, 除此之外我们还可以采取以下措施来抑制谐波
(1)大功率非线性用电设备的变压器宜由短路容量大的电网供电, 一般指由电压等级高, 短路容量大的电网供电。
(2)对大功率静止换流器采取下列措施:
①为减少谐波电流的发生量, 宜提高整流变压器二次側的相数和增加整流器的整流脉动数。后者可采取合适的整流变压器二次側接线方式来增加整流脉动数, 例如一台Ydy 绕组接线整流变压器二次侧有星形和三角形绕组各一组, 各接三相桥式整流器, 将两个直流输出串联或并联(加平衡电抗器)接到直流负荷, 即可得到十二脉冲整流电路;
②对于多台相数相同的整流器, 宜使整流变压器的二次侧有适当的相角差, 可得相数较多的整流器。例如采用“ Ydy 移相15°+Ydy 接线方法使两台变压器的一次绕组有15°相角差, 使两组谐波电流可互相抵消(由于元件参数不完全相同等原因,总电流中仍有残余谐波电流), 从而使两台12 相整流器组成24 相。
(3)加装交流滤波装置。在谐波源附近安装若干单调谐或高通滤波支路, 以吸收谐波电流, 可有效地减少谐波含量。
(4)改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的设备应集中布置, 否则应分散或交错使用, 适当限制谐波量大的工作方式, 可以减小谐波的影响。
(5)改善三相不平衡度。从电源电压, 线路阻抗, 负荷特性等找出三相不平衡原因, 加以消除。选用Dyn11 接线组别的三相配电变压器, 为3 次谐波电流
提供环流通路。
(6)加装静止无功补偿装置(或称动态无功补偿装置)。采用TCR,TCT 或SR 型静补装置时, 其容性部分设计成滤波器, 可有效地减少波动谐波源的谐波含量, 有抑制电压波动, 闪变, 三相不对称和无功补偿的功能。
(7)避免电力电容器组对谐波的放大。改变电容器组串联电抗器的参数, 或将电容器组的某些支路改为滤波器, 或限制电容器组的投入容量, 可有效地减小电容器组对谐波的放大并保证电容器组安全运行。
(8)提高设备或装置抗谐波干扰能力, 改善抗谐波保护的性能。改进设备或装置性能, 对谐波敏感设备或装置采用灵敏的保护装置。
(9)采用有源滤波器, 无源滤波器等新型抑制谐波的措施。通过以上各种措施我们可以使电网中的谐波得到有效的抑制, 从而使电网的能源得到有效的节约,使用电质量得到进一步提高。
