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对配电系统无功补偿状态下谐波治理的认识

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-07-10  来源:中国建筑电气网  作者:蒋 丽
1 概述
 
在电力系统中,大部分负载在消耗着有功功率的同时,也需要大量的无功功率,这些无功功率并没有被负载真正消耗,而是以电场和磁场的形式进行交换,因此无功功率将造成:占用供电设备容量增加和输电线路损耗,降低设备供电电压,因此必须在配电系统中安装无功功率补偿设备(通常采用并联电容器),就近提供负载需要的无功功率,从而达到降低供电容量,减少电网的无功损耗,提高供电电压水平的作用。
 
当正弦波电压施加在非线性负载上时,电流就变成非正弦波,非正弦波电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变成非正弦波。现广泛使用的负载大部分为非线性的,如镇流器、变频器、UPS、电梯、空调、荧光灯、复印机及家用电器等,这些非线性负载会产生大量的谐波电流并注入电网中,使电网电压产生畸变。
 
2 谐波污染与谐振
 
配电系统普遍存在较宽频率范围的谐波污染,并联电容器的容性阻抗特性以及阻抗和频率成反比的特性,使得电容器容易吸收谐波电流而过载发热,当容相匹配时,容易构成谐波谐振。
 
在电网中,各种不同的设备连接在一起,如变压器、输电线、电容器和负载。串联起来的电容和电感,在接近谐振频率的特定频率范围内,其阻抗非常低,称为串联谐振;并联起来的电容和电感,在接近谐振频率的特定频率范围内,其阻抗非常高,称为并联谐振。
 
在一个宽的频率范围内,串联谐振和并联谐振在同一个电网中都可能存在,如果有谐波电压或谐波电流激励这些谐波回路,可引起电压和电流的放大,干扰系统和设备,使其过载,甚至损坏。
 
当频率接近串联谐振频率时,供电母线上一个相对较低的谐波电压将会产生很大的谐波电流,该谐波电流在负载母线上引起出现较高的谐波电压,使正弦电压发生畸变。
 
当频率接近并联谐振频率时,供电母线上一个较低的谐振电流会引起电容器产生很大的谐波电流,该谐波电流在负载母线上出现较高的谐波电压,使正弦电压发生畸变。
 
在配电网中,只要频率接近谐振频率时就会产生谐波放大,配电系统中非线性负载可产生宽频率范围的谐波,不合理的无功补偿产生的谐波放大的问题。
 
3 谐波的危害
 
谐波对电气设备的危害主要表现在以下几个方面:
 
(1)谐波对旋转电机的影响
对旋转电机的主要影响是引起附加损耗,其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。
 
(2)谐波对供电变压器的影响
谐波电流不但引起变压器绕组附加损耗,也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热,并且有可能引起局部的严重过热。谐波使变压器噪声增大,谐波源造成的流经变压器的谐波电流在谐振条件下可能损害变压器。
 
(3)谐波对换流装置的影响
交流电网的电压畸变可能引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等,并通过正反馈而放大系统的电压畸变,使整流器的工作不稳定;而对逆变器则可能发生连续的换相失败而无法正常工作,甚至损坏换相设备。
 
(4)谐波对并联补偿电容器和电缆的影响
谐波会引起电容器局部放电,加速电容器介质老化,缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大,从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。
 
(5)谐波对通信的干扰和影响
谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导会感应到通信线路上,可能损害通话的清晰度,触发电话铃响,甚至在极端情况下,威胁通信设备和人员的安全。
 
(6)谐波对继电保护和自动装置的影响
谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动和拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程,如变压器合闸涌流中的谐波分量,由于其幅值强大、谐波含量也很大,更容易引起继电保护的误动作。
 
4 无功补偿滤波原理及应用
 
通过非调谐电抗器和滤波专用电容器串联组成非调谐补偿滤波回路方案,使得非调谐无功补偿滤波回路的调谐频率低于系统中存在的主要谐波电压或谐波电流的最低频率。在调谐频率以下,非调谐补偿滤波回路呈容性,在调谐频率以上呈感性。
 
无功补偿滤波回路通过电容器串联电抗器设置滤波支路,解决无功补偿兼谐波治理的功能。即通过电容器补偿无功,电容器电抗器串联谐振来降低特征谐波的阻抗,起到对谐波电流分流作用(低阻抗分流)。
 
工业建筑配电系统一般5次谐波为频率最低且幅值最大的谐波,选择非调谐补偿滤波回路的调谐频率应低于5次谐波。电抗率7%的非调谐补偿滤波回路的调谐频率为189Hz,接入电抗率7%的非调谐补偿滤波回路后,可避免5次及以上谐波的放大,同时非调谐补偿滤波回路在调谐频率以上的阻抗低于系统阻抗,回路可吸收部分调谐滤波频率以上的谐波,起到滤波作用。
 
民用建筑配电系统一般3次谐波为频率最低且幅值最大的谐波,选择非调谐补偿滤波回路的调谐频率应低于3次谐波。电抗率14%的非调谐补偿滤波回路的调谐频率为134Hz,接入电抗率14%的非调谐补偿滤波回路后,可避免3次及以上谐波的放大,同时非调谐补偿滤波回路在调谐频率以上的阻抗低于系统阻抗,非调谐补偿滤波回路可以吸收部分调谐频率以上的谐波,起到滤波作用。
 
5 结束语
 
了解配电系统无功补偿状态下谐波的产生及危害,就要采取技术措施减小谐波影响,对谐波加以治理。通过各种措施减少谐波的产生或者使产生的谐波流入滤波设备,或者抵消产生的谐波等手段,使电网上的谐波含量符合国家标准的要求。
 
参考文献
1 (现代电力无功控制技术》中国电力出版社、编著施文冲
2 (工业与民用配电设计手册》中国电力出版社、主编中国航空工业规划设计研究院
 
 
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