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谐波危害

一、谐波污染对电网有哪些具体影响?
  谐波污染对电网的影响主要表现在:
1、造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热灯,特别是三次谐波会产生非常打的中性线电流,使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值,造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂灯。当谐波问题造成电网谐振时,其影响程度更大,会导致大面积停电。由于谐波问题导致并联无功补偿装置误动、不能正常投运的事故更是不胜枚举。

2、引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电压互感器灯设备损坏;造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗,引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热,电容器损坏,并加速绝缘材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长,影响断路器的开断容量;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作,降低通信质量;增大附加磁场的干扰等。


二、谐波对电力电容器有哪些影响?
  当配电系统非线性用电负荷比重较大,并联电容器组投入时,一方面由于电容器组的谐波阻抗小,注入电容器组的谐波电流大,使电容器过负荷而严重影响其使用寿命,另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感相等而发生谐振时,引起电容器谐波电流严重放大使电容器过热而导致损坏。因此,电压谐波和电流谐波超标,都会使电容器的工作电流增大和出现异常,例如,对于常用自愈式并联电容器,其允许过电流倍数是1.3倍额定电流,当电容器的电流超过这一限值时,将会造成电容器的损耗增加、发热异常、绝缘加速老化而导致使用寿命降低,甚至造成损坏事故。同时,谐波使工频正弦波形发生畸变,产生锯齿状尖顶波,易在绝缘介质中引发局部放电,长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化、自愈性能下降,而容易导致电容器损坏。
三、谐波对电力变压器有哪些影响?
  1、谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热,振动,噪声增大,绕组附加发热等。
2、谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。
3、变压器励磁电流中含谐波电流,引起合闸涌流中谐波电流过大,这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
四、谐波对电力避雷器有哪些影响?
  变电站大容量、高电压的变压器由于合闸涌流的过程时间比较长,能够延续数秒或更长的时间,有时还会引起谐振过电压,并使相关避雷器的放电时间过长而受到损坏。这一问题对选择保护高压滤波器中电感或电容元件用的避雷器参数带来较大的困难。
五、谐波对输电线路有哪些影响?
  1、谐波污染增加了输电线路的损耗。输电线路中的谐波电流加上集肤效应的影响,将产生附加损耗,使得输电线路损耗增加。特别是在电力系统三相不对称运行时,对中性点直接接地的供电系统线损的增加尤为显著。
2、谐波污染增大了中性线电流,引起中性点漂移。在低压配电网络中,零序电流和零序性的谐波电流(3次,6次、9次……)不仅会引起中性线电流大大增加,造成过负荷发热,使损耗增加,而且产生压降,引起零电位漂移,降低了供电的电能质量。
六、谐波对电力电缆有哪些影响?
  谐波污染将会使电缆的介质损耗、输电损耗增大,泄漏电流上升,温升增大及干式电缆的局部放电增加,引发单相接地故障的可能性增加。
由于电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,在系统负荷低谷时,系统电压上升,谐波电压也相应升高。电缆的额定电压等级越高,谐波引起电缆介质不稳定的危险性越大,更容易发生故障。
七、谐波对电力系统其他运行设备有哪些影响?
  1、对同步发电机的影响。用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发动机,将产生附加损耗,引起发电机局部发热,降低绝缘强度。同时,由于输出的电压波形中产生附加谐波分量,使负载的同步发电机转子发生扭振,降低其工作寿命。
2、对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作,断路器的遮断能力降低,不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流,对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象,导致断路器触头烧损。
3、对消弧线圈的影响。当电网谐波成分较大时,发生单相接地故障,消弧线圈对谐波电流将可能不起作用,在接地点得不到的补偿,从而引发系统的故障扩大。
4、对载波通信的影响。高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声,数据传输失真,降低EMS、DAS实时数据的真实可靠性,造成集中抄表系统中数据出错等故障。
八、谐波对继电保护及自动装置有哪些影响?
  1.对继电保护及自动装置运行环境的影响
(1)在谐波严重超标的电弧炉负荷、电气化铁路等谐波含量大的局部电网中会受到影响。
(2)频繁出现变压器严重涌流且涌流衰减缓慢的变电站受到涌流产生谐波的干扰。
(3)在系统因短路容量太小而可能出现较大谐波电压影响的场所会受到影响。
(4)在易发生谐波谐振的配电系统、输电系统、变电站网架近会受到影响。
(5)在谐波受到电容器组或其他原因而被放大严重的网络附近会受到影响。
2.继电保护及自动装置利用的启动量小
利用负序电流或电压、零序电流或电压、差动电流或电压启动会受到谐波的影响。其中利用负序量启动的对谐波的敏感性最大。
3.继电器或启动元件本身对谐波敏感
(1)晶体管或集成电路保护装置的动作量非常小和动作时间非常少,因此它的启动判据容易受到谐波影响而出现较大的误差。
(2)利用信号过零取样的控制系统及利用数据过零点的数字式继电器或微机保护,都会受到谐波的影响和干扰。
九、谐波对继电保护整定有哪些影响?
  继电保护正常运行中,当电源谐波分量较高时,可能会引起过电压保护、过电流保护的误动作。当三相严重不对称时,在正序性谐波或负序性谐波含量较高的情况下,可能对以负序滤过器为启动元件的保护装置产生干扰,而引起误动。如某地电气化铁路通车后,曾发生过由于牵引变电所注入系统大量的谐波和负序电流,引起供电系统电能质量指标严重恶化,多次造成发电机的负序电流保护误动,主变压器的过电流保护装置误动,线路的距离保护振荡闭锁装置误动,高频保护收发讯机误动,母线差动保护误动和故障录波器误动的事故。
近年来,微机保护装置的大规模使用,使信号中的谐波干扰既可能引起测量误差,又可能对装置关键处理模块的正常工作产生干扰,从而引起保护装置的误动或拒动。如上海宝钢就发生过因电弧炉产生谐波的影响,造成谐波电流对数字型差动保护产生干扰,使差动保护动作跳闸的事故。
十、谐波电流对数字型差动保护有哪些影响?
  数字型差动保护装置整定简单、动作时间快、功能强,因此目前得到了普遍的推广、应用,但在电能质量较差的条件下,会发生由于电流波形畸变而出现误动作的可能。如某地在同步电动机降压启动时连续发生过3次变压器差动保护误动作跳闸的事故。
十一、谐波对电能计量有哪些的影响?
  通过对感应型电能表和电子型电能表计量准确度的频率响应进行测试和分析,谐波对电能计量的准确度存在着一定的影响。
1.对感应型电能表计量准确度的影响
感应型电能表对2次以上的谐波有逐渐增大的衰减特性,达到9次时已衰减掉80%以上。因此,谐波的影响具有下降频率特性,即对于同样大小的功率,电能表反应谐波功率的转速随谐波次数的增大而减小。主要原因时感应式电能表的圆盘涡流路径的等效圆盘阻抗角随频率的增高而增大,如当基波功率P1和谐波功率Pn通过感应型电能表时,电能表的转速为:
wn=K1P1+KnPn
式中 wn——电能表转速;
P1——基波功率;
Pn——谐波功率;
K1——基波系数;
Kn——谐波系数。
当谐波电压和电流达到基波量的20%时,K1基本不变,Kn的实测结果见表
表2-7 谐波系数Kn在不同谐波次数下的实测值
 

谐波次数n

3次

5次

7次

谐波系数Kn

0.6

0.4

0.28

  表中,Kn为电能表反映谐波功率的转速与反映基波功率的转速之比。谐波次数越高,Kn越小,而且Kn总小于1,这是因为谐波功率产生的转矩比等量基波功率产生的转矩要小。
2. 对电子型电能表计量准确度的影响
对电子型电能表呈宽带响应的特性,电子表带宽主要受其互感器频带和乘法器时钟频率的限制。电子式电能表的误差主要源自其输入模块。在结构设计上,由于电能表输入模块的信号变送仅考虑基波,当电压、电流波形发生畸变时,磁通不能相应地发生线性变化而产生误差,影响了电能表地整体计量精度。
如下式所示地系统供电电压,其3次谐波电压含有率为3%(基波有效值已作归一化处理)
u(t)=√2 sin100πt+3%×√2sin(300πt+θ3)
某用户接在此供电系统上,其负载电流如下式所示:
i(t)=√2 sin(100πt-π/6)+20%×√2 sin(300πt+θ3-θ)
负载谐波功率随着谐波电压、电流相位差变化的关系及对负载电能计量的影响见表(基波有功为0.866;基波无功为0.5)。
负载谐波功率随谐波电压电流相位差变化的关系及对负载电能计量的影响
相位差 谐波功率 负载电能计量影响(与基波电度比较)
 

相位差

谐波功率

负载电能计量影响(与基波电度比较)

θ(rad)

P

Q

0
π/4
3π/4
-3π/4
-π/4

0.006
0.00424
-0.00424
-0.00424
0.00424

0
0.00424
0.00424
-0.00424
-0.00424

+0.69%
+0.49%
-0.49%
-0.49%
+0.49%

  从电能计量的角度来看,正弦波电源供非线性负荷,负荷污染电网、向系统注入谐波功率,少交电费,电力系统不公平;谐波电源供线性负荷,用户设备性能变坏,吸收谐波功率,多交电费、对电力用户不公平。而对于谐波电源供非线性负荷,则应根据谐波电压电流的相位差具体分析,以判断用户是吸收谐波功率还是污染电网而向系统注入谐波功率。
十二、负荷侧的谐波污染对电网有哪些影响?
  近年来,用户端大量非线性负荷的应用正成为电能质量污染甚至恶化的重要因素。从低压小容量家用电器的集群应用,到高压大容量的工业交直流变换装置中存在的各种静止变流器等,都是电质量的污染源。各种静止变流器是以开关方式工作的,会引起电网电流、电压波形的畸变。大型电弧设备,如电弧熔炉,弧焊设备等,也成为重要的冲击源和谐波源。一个值得注意的问题是,为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度,设备制造商努力进行设备的升级和改进,用户则采用各种保护性装置,而这些改进措施和保护装置常常顾此失彼,对公用供电的电能质量造成更大的危害。
十三、谐波对电力用户有哪些影响?
  用电设备对系统电源的污染会影响用电设备自身的可靠性。使用电能质量污染的电源,用电设备又可能成为新的污染源,而危害电力系统和其他用户设备。可能产生的影响包括:对用户电动机产生影响;对用户补偿电容器产生影响;对用户自动控制装置产生影响;对居民生活用电产生影响;对用电安全造成威胁。另外,还包括对电信通信造成影响,对广播、电视及精密制造工业造成干扰和影响,这类干扰和影响有些表现在差模干扰和共模干扰,差模干扰是工频及长线传输分布电容的相互干扰,共模干扰是引起回路对地电位发生变化的干扰,是造成微机控制单元工作不正常的主要原因。
十四、谐波对用户电动机运行有哪些影响?
  谐波电流通过交流电动机,使谐波附加损耗明显增加,引起电动机过热,机械振动和噪声增大。当三相电压不对称时,定子绕组上产生负序电流,并励磁产生负序旋转磁场,该制动磁场降低了电机的最大转矩和过载能力,增加铜损,并且负序过电流可以将电机定子绕组烧毁。负序性的谐波分量(5此、11此等)对电机的影响与负序电压的效果一样。当产生电压波动的主要低频分量与电机机械振动的固有频率一致时,诱发谐振,会使电动机造成损坏。
十五、谐波对用户补偿电容器有哪些影响?
  电网无功配置容量中电容器所占比例最大,其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量,不考虑装设点电能质量的实际污染情况,因此,运行点电能质量指标低时,常造成一些事故,如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断,甚至发生串并联谐振,引发电容器的谐波过电压与过电流,导致电容器爆炸等。另外,用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核,电容器很少按电网实际运行情况投切,甚至只投不切,无形中使电网电压失去了应有的调节裕度,使电压偏差等电能质量指标难以控制。
十六、谐波对用户自动控制装置有哪些影响?
  随着数字控制技术的大规模使用,很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面,即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。另外还会对设备的硬件,如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。干扰负载的保护回路,造成误动作等。
十七、谐波对居民生活用电有哪些影响?
  谐波引起电压波动和闪变产生脉冲磁场,使用电设备受到高能量冲击。
(1)、最直观的感觉就是引起照明灯光和电视画面忽明忽暗的闪烁,造成视觉疲劳。
(2)、引起冰箱、空调的压缩机承受冲击力,产生振动,降低使用寿命。
(3)、影响有线电视、广播的信号正常传输,可能通过电磁感应和辐射造成干扰影响。
(4)、引起电能计量误差,造成不必要的电费损失等。
十八、谐波对用电安全有哪些影响和干扰?
  1.火灾影响
一些建筑物突发性火灾已被证明与电力谐波有关。目前,节能灯、调光器和电器设备中开关电源应用得很普遍,本意是节能,但这些终端设备作为谐波源,对电网得危害很大。经有关部门测定,应用电器设备较多得酒店、商厦、网吧、计算机房、居民小区等,在没有采取滤波等措施前,中性线电流都很大,有些甚至超过相电流,导致过热成为形成火灾事故得重大隐患。
2.设备影响
电能质量得污染对继电保护、计算机系统和精密制造业的精密机械或仪器等,都可能影响正常的运行、操作,降低设备使用寿命,甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故,造成不同程度的影响和损害。
3.通信影响
谐波是电网干扰通信的重要因素,主要通过静电感应(电容耦合,电压作用)和电磁感应(电流作用),在通信线路上产生声频干扰。谐波频率高时,会发生杂音,在通信线路上引起音频干扰,严重时还可能触发电话铃响。采用屏蔽电缆通信,虽可消除静电感应的影响,但不能消除电磁感应的干扰。同时,对于存在多个中性点接地的配电网络,当三相负载不对称时,零序电流将对利用大地作参考电位的通信系统,造成参考电位漂移而产生干扰。
十九、电能质量对计算机系统有哪些影响?
  计算机系统的用电负荷一般只占整个建筑物用电负荷的一小部分。在大多情况下,民用建筑物内动力和照明负荷都是共用同一变压器低压电源或同一段低压配电线路,因此,计算机系统会受到电能质量的影响和干扰。计算机系统受电源影响的因素包括:
(1)电压波动的影响。大容量设备启动或停止会引起母线电源电压的波动,产生瞬态的低电压或高电压。
(2)非线性负荷的影响。非线性的大功率晶闸管整流装置,调压、调速装置,各种气体放电光源,电子镇流器等都会产生谐波,使计算机系统的电源电压波形产生畸变,影响计算机系统的正常工作。
(3)操作过电压和暂态过电压的影响。同一配电网络中的感性负荷,补偿电容的投入和切除,断路器的分合等会产生操作过电压;雷击时产生的暂态过电压,会引起瞬变脉冲。这些都可能损害计算机设备,影响计算机系统安全运行。据统计,内部过电压约占80%,雷击过电压约占15%左右。
(4)瞬时失电的影响。低压电网瞬间失电,将直接影响计算机的正常运行。对于大多数计算机来说,中断供电超过10ms就有可能引起计算机内部5VP-G信号消失,从而可能导致正在运行的程序遭到破坏和数据丢失。
二十、电源线干扰电路有哪两种型式?
  电源线是电磁干扰传入和传出设备的主要途径。为了防止电磁干扰传入设备而影响设备的正常工作,或传到电网,对电网上的其他设备造成干扰。必须在设备的电源入口处装设低通滤波器(这里也称为电源线滤波器),只容许设备的工作频率(59Hz,60Hz,400Hz)通过,以抑制较高频率的干扰和影响。电源线上的干扰电路一般以差模干扰和共模干扰两种形式出现。
(1)、差模干扰。这是在电源相线与零线回路中产生的干扰。通常频率在200Hz以下时差模干扰成分占主要部分。
(2)、共模干扰。这是在相线、零线与地线和大地的回路中产生的干扰。通常频率在1MHz以上时共模干扰成分占主要部分。
电源滤波器对差模干扰和共模干扰都有抑制功能,但由于实际电路结构的差异,对差模干扰和共模干扰的抑制效果并不一样,所以电源滤波器的技术指标中有差模插入损耗和共模插入损耗的区别,这些都是应该在现场实际应用中充分注意和考虑的问题。

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