諧波危害分析

1、諧波危害的詳細分析一、 對輸電線路的影響諧波對電暈起始和熄滅的影響是峰一峰電壓的函數(shù)。峰值電壓與諧波和基波的相角關(guān)系有關(guān)，所以即使有效值電壓在限值以內(nèi)而峰值電壓高出額定值也是可能的。因此，在輸電線路的設(shè)計中要適當考慮這一影響，以降低事故的可能性。 超高壓長距離輸電線路，常采用單相自動重合閘來提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。較大的高次諧波電流(幾十安培以上)能顯著地延緩潛供電流的熄滅，導致單相重合閘失敗或不能采用較小的自動重合閘時間，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增加了介質(zhì)的電場強度。這一影響增大了局部放電、介損和溫升，縮短了電纜的使用壽命，增加了事故次數(shù)。電纜的額

2、定電壓等級越高，諧波引起的上述危害也越大。諧波電流流過導體表面時會產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。集膚效應(yīng)是指導體中有交流電流流過或者處于交變電磁場中，由于電磁感應(yīng)使電流或磁通在導體中分布不均勻，越接近表面處電流密度或者磁通密度越大的現(xiàn)象。電流頻率越高，導體的電導率和磁導率越大，趨膚厚度就越小，這時只要導體的截面積稍大，集膚效應(yīng)就會相當嚴重，使導體的電阻增大?；タ拷膶w中流過交流電流時，每一個導體不僅處于自身電流產(chǎn)生的磁場中，同時還處于其他導體產(chǎn)生的磁場中，這時各個導體中電流的分布和它單獨存在時不一樣，會受到鄰近導體的影響，這種現(xiàn)象叫做鄰近效應(yīng)。電流頻率愈高，導體靠得愈近，鄰近效應(yīng)愈顯著。鄰近效應(yīng)和

3、集膚效應(yīng)是共存的，它會使導體中電流的分布更加不均勻，使導體的電阻更加增大。以上兩種現(xiàn)象都會使線路或設(shè)備產(chǎn)生更多的附加發(fā)熱，從而影響絕緣壽命。除此之外，由于諧波電流會產(chǎn)生較高頻率的電場，這種情況下絕緣的局部放電加劇，介質(zhì)損耗顯著增加，致使溫升增加，也會影響絕緣壽命。 電流流過導體，其熱效應(yīng)會引起導體發(fā)熱，其大小由下面的公式?jīng)Q定： 為線路電流的有效值，用下式表示： 式中：諧波電流的畸變率； 、2、3諧波電流有效值； 基波電流。可以看出，沒有諧波電流時，電流的有效值就是基波電流的大小，但是當諧波畸變率達到100%時，電流的有效值則比基波電流增大將近50%。是導體的交流電阻，用下式表示： 式中：交流電

4、阻和直流電阻的比值，也叫附加損耗系數(shù)； 集膚效應(yīng)引起的電阻增大系數(shù)； 鄰近效應(yīng)引起的電阻增大系數(shù)； 導體的直流電阻。從式可以看出影響線路損耗的因素有兩個：電流和電阻，它們同時又分別受其他因素制約。電流的大小主要由負載情況決定，電阻則受電流頻率、導體材質(zhì)和尺寸的影響。一般情況下，由于諧波含量很低，可以忽略高頻信號的影響，認為等于0。但是當諧波畸變率高時，高頻信號的影響就必須考慮了。前面已經(jīng)提到，電流頻率越高，集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)就越明顯，也越大。線路損耗的增加必然導致線路溫度的升高，導線外面包有絕緣層和保護層，溫度的分析較為復(fù)雜，這里通過分析裸導體實現(xiàn)導線溫度的定性判斷。對于裸導體，流過一定電流時

5、，其穩(wěn)定溫升有下面的公式： 式中：流過導體的電流； 導體的交流電阻； 導體的總換熱系數(shù)；導體的換熱面積。從式中可以看出，對于具體的電線電纜來說，如果假定兩種情況下流過電流的有效值相同，那么穩(wěn)定溫升的差異只取決于電阻的大小。對于電纜和電線來說，由于有厚厚的絕緣層和保護層，熱交換的效率必然沒有裸導體高，因此流過相同電流時，穩(wěn)定溫升要高一些，諧波電流引起的溫升增加量相應(yīng)也要增大。溫度升高會加速電纜線的老化，減短電纜的壽命，嚴重情況可能會致使相線與中線火地之間發(fā)生短路引發(fā)火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸事故。據(jù)統(tǒng)計，2000年中國火災(zāi)中因電氣原因引發(fā)的火災(zāi)為31933起，占中國火災(zāi)總數(shù)的26.1%，其中電纜老化引起

6、的火災(zāi)占整個電氣火災(zāi)的50%以上，造成了巨大的財產(chǎn)損失。在化學反應(yīng)動力學中,由反應(yīng)速率方程及Amhenius方程,可知高分子材料的熱老化方程為： 式中: 、分別表示材料的壽命(h)和老化溫度(K); 與規(guī)定失效性能相關(guān)的常數(shù);(0.401E/R)是與活化能E有關(guān)的常數(shù),R是氣體常數(shù)(8.314 Jmol-1K-1)。根據(jù)資料記載，對于丁苯橡膠熱；對于阻燃電纜；對于聚氯乙烯電纜。假設(shè)溫度為時的老化壽命為，時的老化壽命為，則對于丁苯橡膠：對于阻燃電纜：對于聚氯乙烯電纜：假設(shè)溫度為500時三種材料的老化壽命都為20年，那么每升高10，電纜的壽命如下表，表中的數(shù)據(jù)表示老化壽命，單位為年： 溫度材料50

7、0510520530550550560570580590丁苯橡膠20.017.715.814.012.511.29.98.97.97.1阻燃電纜20.017.715.714.012.511.19.98.87.97.0聚氯乙烯電纜20.017.615.513.612.010.69.48.37.36.5 表A 電纜溫度與老化壽命對應(yīng)表由表中的數(shù)據(jù)可以看出，三種材料的電纜，隨著溫度的升高，老化壽命急劇下降，當平均溫度升高10后，老化壽命僅為正常工作溫度下壽命的1/4。二、 對變壓器的影響諧波電壓的存在增加了變壓器磁滯損耗、渦流損耗以及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓

8、器而言，若負荷電流含有直流分量，引起變壓器磁路飽和，會大大增加勵磁電流的諧波分量，它的幅值幾乎與直流電流成正比，對于較低次的諧波，這種線性關(guān)系更為明顯。諧波電流在變壓器中造成的附加損耗可用下式估算： 式中 通過變壓器的次諧波電流； 變壓器工頻等值電阻； 由于諧波的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使電阻增加的系數(shù)，當為5、7、11和13時，可分別取2.1、2.5、3.2和3.7。對于普通變壓器，特別重要的影響是3次及其倍數(shù)次零序諧波，這些諧波在三角形連接的繞組中形成換流。除非設(shè)計時已經(jīng)考慮到這些問題，否則這些換流將使變壓器繞組過熱。對于供給不對稱負荷的變壓器，還有一個重要問題應(yīng)當考慮到，即如果負荷電流中含有直

9、流分量，則它將使變壓器磁路的飽和度提高，從而使交流勵磁電流的諧波分量大大增加。對電力變壓器內(nèi)接法的繞組而言，雖然該接法為三次倍數(shù)的諧波電流提供了一個通路，但卻增加了繞組內(nèi)的環(huán)流。除非在設(shè)計時另有考慮，這一額外的環(huán)流可能使繞組電流超過額定值。變壓器副邊輸出諧波電壓使輸電線路熱損耗增加，絕緣老化，壽命縮短；據(jù)有關(guān)部門試驗，相同的電纜鋪設(shè)條件，若通過一般的工頻電流，其使用壽命為25年，而含有高次諧波的非正弦電流，其使用壽命只有9年。三、 對無功補償電容器的影響電力諧波和電容器之間的作用是相互的，它不僅在電容器中產(chǎn)生額外的電力損耗，而且可能與電容器一起產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。諧波電壓在電容器中產(chǎn)生額外的電

10、力損耗： 式中 電容；介質(zhì)損耗系數(shù)； 次諧波的角頻率； 次諧波電壓有效值。當同一母線上接有電容器和諧波源時，設(shè)電源為純感性的，當下式成立時就會發(fā)生并聯(lián)諧振。式中 基波頻率； 諧振頻率； 系統(tǒng)短路容量； 電容器容量。因在高頻電路中電容阻抗較小故可略去負荷電阻。在此條件下，當下式成立時就會發(fā)生串聯(lián)諧振。 式中 變壓器容量; 變壓器阻抗標幺值 負荷容量; 電容器容量在電容器的作用下，諧波電流可以被放大25倍，而在諧振時可達30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會大大增加電容器的損耗和過熱，這往往導致電容器的損壞。四、 對繼電保護裝置的影響諧波對繼電保護的影響主要表現(xiàn)為使繼電器動作特性畸變或效果降低，其

11、后果常是保護裝置的拒動或誤動，并且由于不同類型繼電器的設(shè)計和工作原理不用，諧波的影響程度也不盡相同。1、諧波對電磁型繼電器的影響諧波對各種形式的繼電器和保護裝置均有不同程度的影響。對于當前推廣使用的微機保護來說，由于廣泛采用先進的數(shù)字濾波電路和數(shù)值算法，得到的波形基本上是濾去各主要高次諧波的正弦波，可以認為諧波不能對其動作特性構(gòu)成影響。然而對目前仍廣泛使用的電磁式繼電器來說，諧波的威脅是存在的。常規(guī)的電磁型電流繼電器的電磁動作轉(zhuǎn)矩為： 式中 電磁力; 動片與支點的力臂長度 磁通; 流入線圈的電流有效值 線圈匝數(shù); 磁通所經(jīng)過磁路的磁阻由(3.9)式可得電磁動作轉(zhuǎn)矩與線圈電流有效值的平方成正比。

12、實驗證明，該型繼電器線圈無論通入基波還是通入27次單頻諧波，只要有效值相同，繼電器都會動作。按基波整定的電磁型繼電器在諧波的作用下可能誤動。雖然，電磁型繼電器動作速度慢，定值容許誤差較大，在諧波含量小于10%時可認為諧波影響不是主要問題，然而在某些情況下，諧波的含量會大大超過這一允許值。例如變壓器空載合閘時，由于斷路器三相不同期，三相勵磁涌流極不平衡，在同一母線上并列運行的所有變壓器零序回路中引起零序涌流，其波形中含有很大的諧波分量，其二次諧波分量有時甚至大于基波分量。這時，雖然其基波電流尚未達到繼電器的起動值，但各次諧波綜合的有效值已超過整定值，使電磁型繼電器起動。由于整個衰減過程達10s以

13、上，超過零序保護動作時間，可使該母線上運行中的投入零序保護的變壓器同時誤跳。2、諧波對感應(yīng)型繼電器的影響感應(yīng)型繼電器的可動部分慣性較大，動作速度慢，諧波轉(zhuǎn)拒對其影響并不嚴重。這種繼電器中的圓盤或圓筒在磁場的作用下都將產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流和空間中另一磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)拒，推動圓盤和圓筒。經(jīng)驗證，隨著輸入電流的頻率由50Hz增加到250Hz時，繼電器的起動靈敏度將降低，這是由于畸變電流中諧波分量在繼電器磁盤上產(chǎn)生了附加轉(zhuǎn)矩所致。由畸變電流產(chǎn)生作用在繼電器磁盤上的轉(zhuǎn)矩等于該電流中基波分量和各次諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩總和，其中3次諧波和5次諧波電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩對繼電器的靈敏度影響比較大。諧波電流分量產(chǎn)生

14、的轉(zhuǎn)矩可正可負，因而繼電器可能產(chǎn)生誤動也可能產(chǎn)生拒動，其后果由各同次頻率諧波間的相位差以及諧波分量的有效值確定。3、諧波對整流型繼電器的影響整流型繼電器的主要特點是將輸入交流量進行整流，或者將幾個輸入交流量組合后進行整流，繼電器的動作特性取決于整流后的電壓信號(電流信號)及其動作判據(jù)，以兩個電氣量的環(huán)形整流比相器回路構(gòu)成的方向阻抗繼電器為例進行分析。當電流回路中含有諧波分量時，其動作特性不在是一個圓，而是呈現(xiàn)未一個不規(guī)則的封閉曲線由許多凹凸不平點?；旧厦扛?/n時有凹點(或凸點)出現(xiàn)，而且諧波含量越大，凹凸越厲害。主要是因為在電流回路通入含有諧波分量電流時，環(huán)形整流比相器輸出的交流分量增大，

15、從而造成繼電器動作特性損壞不光滑。在某些情況下，如輸出線路發(fā)生接地短路時，由于電流中諧波分量較大，導致整流型保護裝置拒動。4、諧波對靜態(tài)型繼電器的影響靜態(tài)保護所采用的繼電器包括通稱的靜態(tài)繼電器和固態(tài)繼電器，主要由無機械運動的電子器件構(gòu)成。由于在抗干擾和消除諧波影響方面具有較好的有效性，靜態(tài)保護已日益收到人們的關(guān)注。按相位比較原理構(gòu)成的繼電器，被比較的兩個交流電量可用積分比相器或微分比相器來實現(xiàn)。由于諧波分量的存在兩種比相器均受影響。對于積分式比相器，各半波積分比相器比較的分別是正半周或負半周極性相同的時間。當被比較的兩個電量中任意一個含有諧波分量時，其方波被切成碎片，導致積分電壓達不到使其后面

16、的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)所需要的電壓值，從而造成保護拒動；對于微分式比較器，它把兩個交流量都變成方波，再將其中一個方波通過微分電路產(chǎn)生脈沖去與另一個交流量的方波進行比較，則因諧波的存在而出現(xiàn)多個不應(yīng)有的微分脈沖，引起交流量過零點的機會增多，可能造成保護裝置誤動作。例如再相差保護中短路時產(chǎn)生的直流分量與高次諧波分量疊加的結(jié)果，使半波比相器有輸出，從而導致保護誤動。五、 對電能表的影響目前，計量中主要采用靜電感應(yīng)式電能表。它是按工頻(基波50Hz)純正弦交流額定工況設(shè)計制造的。存在電力諧波時，基波電流和諧波電流都會在電能表轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生渦流，電能表轉(zhuǎn)速所反映的功率是基波和各次諧波共同作用下產(chǎn)生的，即： 式中電能表計量的功率; 基波的轉(zhuǎn)矩系數(shù) 基波功率; 次諧波的轉(zhuǎn)矩系數(shù)。通常，1，1，電力諧波的次數(shù)越高，幅值越小，越小，在轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也越小。一般情況下，諧波所產(chǎn)生的電度量可以忽略不計，但當用戶中有較大的諧波源時，計量點的電壓電流畸變較大，總電度量中將含有較多高次諧波所產(chǎn)生的電量，這時電度表已不能真實地反映用戶的耗電情況