电力系统中谐波的危害与产生.doc

行业资料：_电力系统中谐波的危害与产生单位：_部门：_日期：_年_月_日第 1 页 共 11 页电力系统中谐波的危害与产生电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。本文全面论述了电力系统中谐波的危害及产生情况，希望能引起我们的高度重视。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：1.对供配电线路的危害（1）影响线路的稳定运行供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。（2）影响电网的质量电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。2.对电力设备的危害对电力电容器的危害当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。对电力变压器的危害谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。对电力电缆的危害由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。对用电设备的危害对电动机的危害谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。对低压开关设备的危害对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。影响电力测量的准确性目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。谐波对人体有影响从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。谐波的产生总而言之，电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波。晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%20%，最大可达45%。气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。第 7 页 共 11 页电力系统可靠、安全、稳定关联关系随着科学技术的发展与进步，人们对于能源的依赖越来越强烈。作为在当今世界能源中占有重要地位的电能，更是在国民生活经济中起着不可替代的作用。在当今社会，电能作为国民经济的基础产业，电力系统一旦发生事故，将对经济、社会各层面产生严重的直接或间接后果。所以我们应当更加注重提高电力系统的可靠性、安全性与稳定性，使电力系统能够高效安全有效的为人们服务。一、电力系统可靠性、安全性与稳定性的基本定义电力系统可靠性可靠性与风险具有相同的内涵，是一个事物的两个方面，可靠性高了的同时，意味着风险的降低。从电力系统的基本职能来看：电力系统的基本职能是在保证合理的连续性和质量标准的基础上，尽可能经济的向用户供应电能。可见，电力系统可靠性实质就是预判在不同运行方式下出现的概率及其后果，综合做出决策，充分发挥系统中各个设备的潜力，从而保质保量地满足所有用户的负荷需求。所以电力系统的可靠性定义为：电力系统按可接受的质量标准和所需数量，不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度。电力系统安全性电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下，系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度。即在面临突发干扰下电力系统的鲁棒性，所以安全性依赖于电力系统本身的运行状况以及突发干扰事件发生的概率。电力系统稳定性电力系统稳定性是指在给定的初始运行方式下，一个电力系统受到物理扰动后仍能够重新获得运行平衡点，且在该平衡点大部分系统状态量都未越限，从而保持系统完整性的能力。二、电力系统可靠性、安全性与稳定性的影响因素电力系统可靠性的影响因素电力系统可靠性的影响因素主要包括：电力系统工作的环境条件（天气、温度、气压、灰尘等）、使用条件（是否连续工作、操作者的技术水平等）及维修条件（维护措施、维修周期、维修等级等）。电力系统安全性的影响因素影响电力系统安全性的因素很多，对于组成现代电力系统的基础设施而言，可分为内部因素和外部因素。其中内部因素包括：电力系统主要元件故障，发电机、变压器、输电线故障；控制和保护系统故障：保护继电器的隐性故障、断路器误动作、控制故障或误操作等；计算机软、硬件系统故障；信息、通信系统故障；电力市场竞争环境的因素；电力系统不稳定：静态、暂态、电压、振荡、频率不稳定等。外部因素包括：自然灾害和气候因素：地震、冰雹、雷雨、风暴、洪水、热浪、森林火灾等；人为因素:操作人员误操作，控制和保护系统设置错误、蓄意破坏等。电力系统稳定性的影响因素电力系统的稳定性与扰动大小、经受扰动的时间、系统的结构、运行方式、系统各元件参数、各种自动调节控制装置的特性等有关。扰动的大小可分为两类：1、电力系统在运行中时刻受到小的扰动，这些小扰动包括：负荷的随机变化，汽轮机蒸汽压力的波动、发电机端电压发射点小的偏移等等；2、电力系统运行时还会受到大的扰动，例如：电气元件的投入或切除、输电线路发生短路故障等等。三、电力系统可靠性、安全性与稳定性之间的关系电力系统的可靠性包括电力系统设计和运行中的全部客观因素。为了保证电力系统的运行可靠性，电力系统必须在其运行的绝大部分时间里都处于安全状态，其实这就是在对电力系统的安全性做出了要求。从这方面可以体现出安全性是可靠性的保证。为了保证电力系统的安全性，这就要求系统有能力应对发生的紧急事故，包括设备的损坏（例如电缆的损坏、输电塔由于受到冰雪的压载而倒塌等等）。除此之外，电力系统应该能在紧急事故发生之后重新达到稳定状态，但是这个状态也是不安全的，主要是因为故障后系统重新稳定后的状况导致装备过载或电压越界。电力系统的安全性与稳定性的区分可以依据事故发生后造成的后果来进一步判断。例如，两个系统的稳定裕度都相同，但是他们在受到相同故障后其中的一个系统故障后后果的严重性没有另外一个系统严重，我们可以称后果不太严重的系统的安全性更高。电力系统的安全性与稳定性都具有时变的属性，可以通过一组在特定条件下的电力系统的性能来进行判断。而电力系统的可靠性，通常是指系统的平均性能，它通过在一段时间内综合考虑系统的性能来进行判断的。四、电力系统可靠性、安全性与稳定性分析的主要内容电力系统可靠性分析分为充裕度和安全性两个方面。充裕度又可称为静态可靠性，是指电力系统维持连续供给用户所需的负荷需求的能力。安全性又可称为动态可靠性，是指电力系统在场景切换后，能否承受该扰动的能力，并不间断向用户提供电能的能力。电力系统安全性分析包括静态安全分析和动态安全分析两个方面。静态安全分析实质上是电力系统运行的稳态分析问题，可以根据预想的事故，设想各种可能的设备开断情况，完成相应的潮流计算，即可得出系统是否安全的结论；动态安全分析是对事故后动态过程的分析，指评价系统受到大扰动后过渡到新的稳定运行状态的能力，并对必要的预防措施和补救措施给出适当的参考方案。电力系统的稳定性分析包含了对其安全性与可靠性的评估，分为静态稳定性分析和暂态稳定性分析。根据性质的不同，稳定分析可分为3个方面即电压稳定、频率稳定以及功角稳定。静态稳定分析实际上就是确定小扰动下系统的某个运行稳态点能否保持。暂态稳定分析研究的是电力系统在某一运行状态下受到较大干扰时的稳定性问题。总之，电力系统的可靠性、安全性与稳定性是具有内在联系的，它们之间的关系是密不可分的。它们是电力系统的内在性质。如果在对电力系统进行分析时，只单一的考虑其中的一个性质，而忽略其他两个性质，这样的分析是不全面的、有缺陷的、不准确的。所以应当从实际出发，以整体为基础，综合考虑电力系统的3个性质，全局分析，为我国电力事业的发展打下坚实的基础。第 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