第三章谐波效应及谐波抑制ppt课件.ppt

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1、第三章 谐波效应及谐波抑制,第一节 谐 波 谐 振 第二节 谐波对一次设备的影响和危害 第三节 谐波对二次设备骚扰的评价 第四节 谐波对用电设备的影响 第五节 减小谐波影响的技术措施 第六节 电力系统谐波的限值和标准,第一节 谐 波 谐 振,电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，在一定的参数配合下可能对某些频率产生谐振，诱发出过电压和过电流。对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可能性很小。但在某些高次谐波下谐振，谐波电流和电压剧增，危害设备的运行和安全。即使达不到谐振条件，由于电容器对谐波有放大作用，也会使谐波电流和电压增加。,一、谐波的并联谐振 1 电容器无串联电感的情况,图3-1 n次

2、谐波等值电路,谐波源大多数为恒流源In系统的基波阻抗为Zs=Rs + jXs并联电容器的基波电抗为-jXc对于n次谐波: 系统的谐波阻抗: Zsn=Rsn+jnXs jnXs； 电容器的谐波电抗为 -jXc/n,其中：,图3-2 Isn和Icn的变化曲线,( l ) 当=-1，即 时，Isn =Icn=， 发生并联谐振,其中 为谐振的谐波次数。( 2 ) 当-，即 时，Isn In ，Icn 0 ( 3 ) 当=-2，即 时，Isn =2In，ICn =-In ( 4 ) 当=-0.5，即 时，Isn =-In，ICn =2In,( 5 ) 当=0，即 时，Isn =0，ICn =In( 6

3、) 以=-1为界， 左侧为感性 , 右侧为容性 , ,( 7 ) 在=-2-0.5区间，|Isn |In，|ICn| In ，称为谐波电流严重放大区，对应的谐波次数n为:,总结:,( 1 ). 并联谐波谐振出现谐波过电流，谐振点: ( 2 ). 出现谐波电流严重放大区，放大区范围(宽度) ( 3 ). 谐振点两边，谐波电压反相。,2、电容器有串联电感的情况( 1 )目的: C串联一定数值的L是为了降低C合闸时的涌流。( 2 )作用: 降低谐振谐波次数; 缩小谐波电流严重放大区。,图3-3 电容器串联电感时的谐波等值电路,n次谐波电流为：,式中,当1+=0时，出现并联谐振。谐振点的谐波次数为:,

4、3、比较有串联L和无串联L两种情况,（1）有串联电感时，可能大于0，即当nXL XC / n时，C 支路变成感性。这时C 支路只是起分流作用。 （2）两种情况下的并联谐振点不同,（3）两种情况下谐波电流的严重放大区不同,可以证明NN,无串联电感时的严重放大区为:,有串联电感时的严重放大区为:,4、结论,( 1 ) C串联L，并联谐振的谐波次数降低；( 2 ) C串联L，缩小谐波电流的严重放大区宽度N ； ( 3 ) 合理选择L值，可调整谐振谐波次数和N ，避免在某次谐波下产生并联谐振。 例如:当KL=12%时，I3不致被放大； ( 4 ) C支路变成感性时，只起分流作用。,二、谐波的串联谐振,

5、图3-4 串联谐波谐振结线图,1、谐波次数（1）不考虑R负载时（2）考虑R负载时,2、过电压倍数 （1）当变压器不接电阻负载时 （2）当变压器接电阻负载时,第二节 谐波对一次设备的影响和危害,谐波对一次设备的影响和危害主要表现在以下几方面: ( 1 ) 增加设备的损耗，提高温升，降低设备的出力和寿命； ( 2 ) 增加绝缘中的介质损耗和局部放电量，加速绝缘老化； ( 3 ) 增加电机的振动和噪音。,一、旋转电机,定子绕组外施电压中含有谐波分量时，电动机损耗增加，包括铜损、铁损和机械损耗，它们是由基波功率转化而来，可归为两类：热损耗和机械损耗。1. 热损耗 谐波电压在绕组中产生谐波电流，使绕组发

6、热，从而产生热损耗。 三相总谐波损耗为:,式中 谐波产生的损耗可以用一个基波的负序分量来等效。所以，U1 ( 2 ) e q 称为等值的基波负序电压。它的物理意义是将所有谐波产生的损耗等效于一个基波负序电压产生的损耗，这个电压就是U1 ( 2 ) e q ,相应的负序等效电阻为:,2. 机械损耗机械损耗是由谐波电流和基波磁场相互作用产生的力矩而引起的。例如5次谐波和7次谐波可以产生一个频率为6f1的扭矩作用在转子上， 5次谐波产生附加的减速力矩，而7次谐波产生附加的加速力矩，从而激发汽轮发电机周期性振动，并伴有噪声。如果谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈振动，造

7、成汽轮机的轴和叶片因疲劳而损坏。,二、变压器,1. 增加其铜损和铁损。2. 谐波并联谐振会产生过电流，附加损耗增加，降低变压器运行的可靠性。3. 宜采用/ Y接线,但应留容量裕度。,4. 漏磁通产生附加损耗, 可能引起严重的局部过热。因此，采用措施来减少漏磁。5. 避免谐波串联谐振，串联谐振增加局部放电、加速绝缘老化。严重时还会发生绝缘击穿事故。,三、电力电容器,电力电容器受谐波危害最大，主要表现在两个方面: ( l ) 增加介质损耗，使电容器温升增高，降低其寿命； ( 2 ) 引起或加强介质内部的局部放电，使绝缘老化，甚至击穿。,1.发热问题:,电容器由金属极板和绝缘介质所组成。C中的有功损

8、耗按下式计算:,式中: 各种谐波频率下的介损因数。电容器 随介质材料温度和频率变化而变化，在一定条件下，随频率增加而增加。谐波损耗 与谐波次数n成正比； 高次谐波的含量越大，产生的损耗也越大；,电容器在设计中为了获得较高的比特性，结构十分紧凑，散热条件较差，而使由谐波等因素产生的热量不易散出；温度升高后又引起介损增加，进一步促进温升提高，如此形成恶性循环，最后可能导致热击穿。,2.局放问题 ：,电容器在制造中，由于各种原因，在绝缘内部形成气泡。正常运行电压下，气泡不会放电，或只有少量的气泡放电，对电容器的运行不会产生很大的影响。如存在谐波电压，气泡中可能放电，放电过程就不会熄灭而将持续下去，并

9、不断扩大。气泡中的放电产生热的、化学的、机械的效应对绝缘具有很大的破坏作用。,运行经验表明: 电容器中的局部放电是造成电容器损坏的重要原因。局部放电产生的带电离子增加了介质中的电导，使谐波电流损耗进一步增加，最终也将导致电容器因温度过高而破坏。因此，电容器是受谐波危害最大的一种电气设备。据统计，由于谐波而损坏的电气设备中，电容器约占40% 。,3. 谐波含量的限值问题,( 1 ) 国家标准中对电容器过载能力的规定: ( 2 ) 如何确定谐波含量的容许值。 根据介质损耗的条件确定容许谐波含量。 设只含3次和5次谐波，且含量相等，均达到最大值D3m=D5m=Dim 。则基波电流和总电流也达到最大值

10、，即：,因为,所以,故可得出按最大介质损耗确定的容许谐波电流含量为:,令,，则,（1）,. 按局部放电条件确定容许谐波含量。 假设谐波电压只含3次和5次谐波，且含量分别为Dim / 3和Dim /5,基波电压和谐波电压同时达到最大值，则电容器上的最大电压幅值为 ：,只有当UCm小于UCq时，电容器才不会形成持续的局部放电, UCq定为额定电压的1.2倍，则: 由此得出按局部放电条件确定的容许电流谐波含量为,（2）,两曲线的交点A对应的K=0.82,图3-5 谐波电流含量容许值和K 的关系 1 按式(1)计算；2 按式(2)计算,当K0.82时应按局部放电条件确定电容器的容许谐波含量；当K 0.

11、82时，则应按介质损耗条件确定容许谐波含量。,第三节 谐波对二次设备骚扰的评价,谐波对二次设备的主要影响是骚扰其正常的工作状态。诸如测量的准确度，动作可靠性等。,一、对测量仪表的骚扰,电磁式电压表的频率特性最差。 畸变波形下电压表的误差与频率特性间的关系:,式中: 畸变波形下电压表的相对误差； U 畸变波形下电压的有效值； U1 、U2 、 各次谐波分量电压的有效值； 、 、 各频率特性决定的各次谐波频率下的相对误差。 显然，畸变波形下的相对误差，不仅决定于频率特性，还取决于谐波的含量。,2.感应式仪表受谐波的影响较大感应式仪表主要用于电度测量。工作原理是转动部分在一个磁通的作用下产生的感应电

12、流(涡流)和另一个磁通相互作用下产生转矩。两个磁通分别由电流回路和电压回路中的电流产生；如果只有一个回路中的电流含有谐波分量时，这个谐波分量电流不会和另一回路中的基波电流产生稳定的转矩；,由于感应式电压表的铁磁元件具有非线性特性，使得在输入纯正弦波形的工频电压和电流时，电压表的绕组及转盘中仍会存在一些谐波成份；这些谐波分量就会和另一绕组中所包含的谐波相互作用产生转矩，从而增加或减少测量读数。,3. 电量计算不合理现象谐波源消耗功率: P1=基波功率 - 谐波功率负载消耗功率: P2=基波功率 + 谐波功率,基波功率,基波功率,负载,谐波源,谐波功率,4. 解决的办法: (1) 采用具有窄频带特

13、性的功率表(或电度表)，只反映基波成分。(2) 设置谐波功率流向仪，给出谐波的流动方向，以便公平合理地计算电能 。,二、对继电保护装置的骚扰,谐波对继电保护的骚扰分故障和非故障两种情况。 1. 故障情况下的骚扰 2. 非故障情况下的骚扰,1. 故障情况下的骚扰( 1 ) 距离保护: 谐波的出现会引起很大的测量误差。严重时可能拒动或误动。采用数字式阻抗继电器，用数字滤波的办法消除谐波的影响，取得较好的效果。 ( 2 ) 高阻接地故障: 因故障电流中的谐波含量较大，如没有滤波装置，误动作可能性较大。,2非故障情况下的骚扰( 1 ) 变压器空载合闸时励磁涌流的影响一次电流中含有大量的谐波分量，且直流

14、分量使CT铁芯饱和，以致二次电流的波形严重畸变和Im可能超过过流继电器的整定值而误动。对于变压器的差动保护:空载合闸时二次侧开路，一次、二次侧电流的严重不平衡也会使其动作。一般是采用动作延时的办法解决，但会使变压器内部故障因延时跳闸而扩大。( 2 ) 晶体管保护在运行中仍会发生因谐波骚扰而误动作,第四节 谐波对用电设备的影响,谐波对用电设备的影响表现在：增加损耗；降低寿命；使其运行性能劣化。,一、可控硅整流设备,可控硅的触发装置是依靠交流电压过零时产生的尖脉冲来控制点火时延的。畸变电压波形可引起触发脉冲间隔不等，使整流器的工作不稳定；对逆变器则会发生连续换相失败而无法工作。可控硅原件是一种对温

15、度以及 和 都很敏感的元件，在含量较大的高次谐波电流和电压的作用下，可遭到破坏。,二、照明负载,普通白炽灯的灯丝使用寿命与灯丝温度的最大值有关。 图3-7绘出灯丝使用寿命的最大降低率与电压畸变率的关系曲线，其中横坐标为电压畸变率Du%，纵坐标为灯丝使用寿命降低率。,图3-7 灯丝使用寿命的最大降低率 与电压畸变率的关系图,三、电子计算机,谐波对电子计算机的骚扰主要是影响磁性元件( 如磁盘等 )和数据处理系统的精度和性能。一般对电子计算机的电源中谐波的含量作了严格的规定和限制。有的计算机规定电源的电压幅值和有效值之比必须在1.410.1的范围内。,四、电视机,对电视机来讲，谐波主要是影响电压的幅

16、值，会引起图像尺寸和亮度的变化。,第五节 减小谐波影响的技术措施,减小谐波影响应优先对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施，主要措施如表3-2所列。实际措施的选择要根据谐波达标水平，措施的效果，经济性和技术成熟程度等综合比较后确定。,一.交流无源滤波器,交流无源滤波器是抑制谐波的有效方法。 滤波器的作用是利用L、C串联谐振的原理使其对单个频率或在一个频率范围内呈现较低的阻抗和电网并联，吸收电网中和谐振频率相当的谐波电流。电力系统中的滤波器多采用无源滤波器。它结构简单，运行可靠，维护方便。,单调谐滤波器: 由电容器、电抗器和电阻串联组成。电抗器一般没有铁芯，电阻由电抗器和电容器的品质因数决定，

17、必要时串联附加电阻。高通滤波器: 由于L被R旁路,其并联合成阻抗不可能超过R值，因此当频率超过某一临界值以后，在很宽的频率范围内呈低阻抗特性。,电网中的滤波装置通常由一组或几组单调谐滤波器组成，有时还加一组高通滤波器。单调谐滤波器的谐振频率一般对应于次数较低的谐波;次数较高的谐波则由高通滤波器加以限制。 滤波器设计的主要任务 确定回路的参数R、L、C;还要考虑电容器兼作系统的无功补偿之用;一般要综合分析各方面的技术经济指标以后，确定最合理的方案。,(一) 单调谐滤波器的设计,对于n次单调谐滤波器 式中: R f n 在n次谐波下，计及C、L损耗的滤波器回路总电阻。,当 时，达到理想谐振条件。若

18、令 等于额定工频角频率 , 则n次谐波的谐振条件为:谐振时阻抗达到最小值Zf n=Rf n，则n次谐波电流主要流过滤波器，使流入电网中的n次谐波电流减小，达到抑制n次谐波的目的。,实际电力系统中的工频角频率与往往存在一定的偏差。令其相对偏差值为:,则：,设滤波器的品质因数为q ，则根据定义可得:,其中：,于是，,实际上，使滤波器偏离谐振点的因素除了频率的偏差=-1以外，还有滤波器参数的偏差值，如C=C-C1；L=L-L1。，应综合考虑这些因素的影响。根据综合影响所得到的值，称为等值频率失谐度。 设角频率、电容、电感的相对偏差值为,实际情况下滤波器的谐波电抗为：,滤波器谐波阻抗的虚部为 ：等值频

19、率的失谐度:,滤波器的通频带宽度 结论：滤波器的带宽与品质因数成反比。品质因数越大，带宽越窄。,计及系统阻抗时滤波器参数设计问题 滤波效果不仅与滤波器 有关，且与电网 有关。若使 达最小值，须综合考虑 和 ，并使综合谐波阻抗达到最小值。,通常交流电网的谐波阻抗是感性的，则其导纳表达式为 计算滤波器连接点处等值电路如图3-10所示。,图3-10 计算滤波器连接点处 谐波电压的等值电路,由等值电路可得: 从严重的条件出发来计算,这些条件包括：( 1 ) 和sn的符号相反，且 取负号，sn 取正号;( 2 ) 取临界值,求出 并令其等于零，,当,时，,取最大值,由上式可看出: 改变q 值可改变 ,

20、同样用求极值的办法，能求出使为 最小值时q 值为:q0值是计及影响后滤波器的最佳品质因数值。如采用q0值，则滤波器和电网连接点处 的最大值为:,单调谐滤波器的设计步骤：,1. 选择电容器 滤波装置中电容器的投资大，且易遭到破坏，因此,电容器的选择应当在设计中首先考虑。电容器的电容量C一般可根据两个条件计算: (1) 谐波电压的幅值应被限制在容许的范围内，使其在正常运行时不产生局部放电；(2) 谐波容量应被限制在容许的范围内,以免因介质损耗过大而超过容许温升。 电容器还要考虑系统无功补偿的需要,串联电抗器的 L按以下公式计算:电抗器品质因数 qL50150，,3. 等值电阻由下式确定 式中， 应

21、包括 和 两部分， 必要时还附加电阻,( 二 ) 高通滤波器 ( HF ),1. 截止频率f0由下式决定: f0的含义：当f f0时，|Z|R 2. 谐波阻抗:,为最小值时的谐波次数nmin为:,其中，,式中 n0 对应于截止频率的谐波次数。,3. HF的品质因数 4. HF的特点：(1) 一般设计得较低, 约:0.71.4。(2) 不考虑频率失谐,它的运行特性对频率偏差的敏感性较低，在相当宽的频率范围内，它的阻抗大致相等。(3) 电容器的额定电压比单调谐滤波器低，容量等于基波频率容量。,高通滤波器的设计步骤：,1. 由补偿作用确定电容器C ( 额定电压较单调谐滤波器的低、容量等于基波容量)

22、2.3.,二、有源电力滤波器( APF ),( 一 ) APF的基本原理 无源滤波器的缺点 ： 1. 有效材料消耗大、体积大； 2. 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； 3. 滤波效果不够理想(特别是对非特征谐波有时还会放大)； 4. 装置的损耗较大； 5. 在某些条件下和系统发生谐振，引发事故。,APF的原理结构如图3-16所示。这种滤波器是向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。,图3-16 有源电力滤波器结构框图,图3-12 电流的时域分解,将谐波源电流i分解为有功ip和无功iQ ( i=ip+iQ )，如图3-12所示。在电网U基

23、本上是正弦波的情况下，ip为基波有功电流，而iQ包含基波无功和全部谐波电流。,常见的APF可分为电流型和电压型两大类型。电流型APF的主电路如图3-13所示。在电桥的直流侧由L保持稳定的直流i,根据检测的i和u信号由控制电路给出iQ的目标值，在电桥的交流侧用脉宽调制方法向系统输出补偿的无功i。将每周期分成N个等间隔T，在每间隔T内,电桥向外输出i的瞬时值，脉冲幅值Id为定值，iQ的瞬时值由脉冲宽度t所决定，最后经过滤除波形脉动的滤波器，便可向系统输出无功iQ的目标值。,电压型APF主电路如图3-15所示。在电桥的直流侧由电容器C保持稳定的直流电压Ud，在交流侧由脉宽调制电压Ud使其输出的电流通

24、过交流电抗器来补偿电网波形的畸变。 利用PWM来得到与高次谐波近似的波形，必须提高载波的频率，但这将受到所使用的元器件固有开关频率的限制。,图3-15 电压型有源滤波器的主电路,( 二 ) 典型的APLC方案简介 无源电力滤波器初期投资较少，相对于APF来说容量作大一些要容易得多。因此，为了充分利用两者的优点，许多学者提出了不少APF和无源电力滤波器组合的方案。 一般把APF和无源滤波器所组成的整个系统称为有源电力调理器(active power line conditioner，APLC )。,典型的串联于线路的方案见图3-17，它用并联的无源滤波器和相对较小容量串联型APF相结合的系统。其

25、中，无源滤波器吸收由非线性负荷所产生的谐波电流，而APF提高无源滤波器的滤波性能。该系统解决了无源滤波器的一些固有问题，如可能产生谐波放大等问题；同时，相对于传统的APF来说，容量大大下降。,图3-17 串联于线路的方案,第六节 电力系统谐波的限值和标准,为了限制电力系统中日益严重的谐波污染，增强电力系统中发电、输配电和用电设备之间的电磁兼容性，国家技术监督局于1993年批准了国家标准GB/T14549-93 电能质量公用电网谐波 。该标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法。,制定限制谐波标准的原则是：( 1 ) 限制注入电力系统的谐波电流，把电力系统中的谐波含量控制在允许范围内，使接入电

26、网中的各种电气设备免受谐波骚扰；( 2 ) 能够有利于国际间的技术经济交流和合作。 为了便于国际间的技术合作与交流，各国的标准都互相借鉴，趋于统一。,一、电压总谐波畸变率和 谐波电压含有率,电压总谐波畸变率 周期性交流量中的谐波含量的方根均值与其基波分量的方根均值之比。谐波电压含有率 周期性交流量中含有的第n次谐波分量的方根均值与基波分量的方根均值之比。,380/220V低压电网电压的波形畸变率的限值为5%；对于6kV及以上各级电压的电网，规定波形畸变率的出发点是，保证低压电网电压波形畸变率不超过5%，并且防止高压电网发生谐波谐振或谐波放大。电压等级越高，电压波形畸变率的限值越小。,二、谐波电

27、流的限值,规定谐波电流限值的目的在于限制谐波电压。表3-4列出谐波源用户注入公共连接点的各次谐波电流的允许值。 电压波形畸变率限值确定的情况下，谐波电流与系统谐波阻抗成反比，亦即，系统的短路容量越大，谐波阻抗就越小，容许注入的谐波电流越大。,( 1 ) 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量不应超过表3-4中规定的允许值。当公共连接点实际的最小短路容量与表3-4所规定的数值不相同时，可按下式进行修正:,式中 ：Sk1 公共连接点实际可能出现的最小运行方式下的短路容量 ( MVA )； Sk2 表3-4所列的基准短路容量 ( MVA )； Inp 表3-4规定的n次谐波电流允许值( A )； In 对应于短路容量Sk1的n次谐波电流允许值( A )。( 2 ) 同公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。,