梁建輝 火箭軍士官學(xué)校 山東青州 262500

0 引言

國(guó)防工程中由于各種大功率開(kāi)關(guān)器件的大量應(yīng)用到各種電源裝置和電動(dòng)機(jī)調(diào)速中，為設(shè)備運(yùn)行提供了高效、節(jié)能的控制手段，但是，利用開(kāi)關(guān)動(dòng)作對(duì)電能進(jìn)行有效變換的同時(shí)，裝置本身產(chǎn)生了無(wú)功電流和高次諧波，對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的危害。一是容易使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量出現(xiàn)偏差，并導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，甚至造成跳閘事故。二是能直接造成用戶(hù)電氣設(shè)備故障。當(dāng)電網(wǎng)中3 次、5 次或7次諧波電壓含有率達(dá)到10%~20% 時(shí)，電動(dòng)機(jī)將在短期內(nèi)損壞。另外，在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)的電容器補(bǔ)償裝置，其對(duì)高次諧波電流具有放大作用，使電容補(bǔ)償柜在諧波的作用下溫升過(guò)高、電流過(guò)大，以致無(wú)法正常運(yùn)行。三是容易使供電系統(tǒng)與用于補(bǔ)償無(wú)功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成過(guò)電壓或過(guò)電流，使電容器絕緣老化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于諧波問(wèn)題引起的電容故障占電容器總故障的71%~83%。

1 諧波來(lái)源

當(dāng)前國(guó)防工程中的非線(xiàn)性負(fù)載是諧波電流的主要來(lái)源。由于系統(tǒng)阻抗的原因，負(fù)載也產(chǎn)生電壓諧波。因此，非線(xiàn)性負(fù)載被認(rèn)為是電流和電壓諧波的產(chǎn)生源頭。這些諧波源可以總結(jié)為以下三個(gè)主要部分。

1.1 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)主要組成部分是電源，變頻器，控制回路加上感應(yīng)電機(jī)。作為一個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載，變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出非正旋電流，富含諧波。這些諧波流入提供電能的電力系統(tǒng)，使配電設(shè)備（如變壓器）過(guò)載，并且和功率因數(shù)調(diào)節(jié)電容發(fā)生共振和其他問(wèn)題。

1.2 飽和設(shè)備

由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線(xiàn)的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。雖然在通常的電壓下，變壓器勵(lì)磁電流富含諧波，但是它基本低于滿(mǎn)載電流的百分之一。一般不像電力變頻器和電弧設(shè)施那樣影響明顯。

1.3 電弧設(shè)備

這些電弧設(shè)施包括電弧爐，電弧焊機(jī)。電弧有一個(gè)基本的帶阻抗鉗型序列電壓來(lái)限制電流到一個(gè)共振值。電弧的電壓和電流都是非線(xiàn)性的。隨著電弧點(diǎn)燃，電壓隨著電流的增加而降低，只是通過(guò)電力系統(tǒng)中的阻抗來(lái)限制。電弧本身就是諧波電壓源的典型代表。如果探頭直接穿過(guò)電弧，就會(huì)出現(xiàn)某種程度的梯形波。它的幅值在電弧中起到很大的作用。但是，電弧爐的阻抗起到了緩沖作用，電源電壓只是適度失真。因此，電弧負(fù)載成為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的諧波電流源。當(dāng)系統(tǒng)接近諧振時(shí)這種情況消失。電弧爐負(fù)載和其他電弧設(shè)施的諧波成分跟電感鎮(zhèn)流器相似。

2 諧波對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響

諧波對(duì)電力系統(tǒng)中的設(shè)備的有害影響，大部分時(shí)間是由于故障出現(xiàn)才被意識(shí)到。洞察諧波如何影響電力系統(tǒng)和其中的元件對(duì)預(yù)防故障是非常重要的。

2.1 對(duì)變壓器的影響

諧波可以從兩方面影響變壓器。由于更高頻率的諧波電壓建立滯后環(huán)，它疊加在基礎(chǔ)環(huán)上，電壓諧波在變壓器鐵心中將產(chǎn)生額外的損失。每個(gè)環(huán)代表更高的磁能需求和鐵芯損耗。第二個(gè)更嚴(yán)重的影響是在變壓器繞組中的諧波電流，它產(chǎn)生額外的損失，繞組渦流損失也同時(shí)增加。由諧波引起的渦流電流能顯著增加變壓器繞組溫度，所以必須降低變壓器攜帶的諧波。

2.2 對(duì)電容器組的影響

當(dāng)大量的電壓和電流諧波存在時(shí)，它們會(huì)經(jīng)常過(guò)電壓工作，導(dǎo)致故障。因?yàn)殡娙萜鹘M的電抗是和頻率成反比例的，電容器組能吸收零散的諧波電流，導(dǎo)致過(guò)載和故障。諧波共振是潛在的嚴(yán)重情況。如果在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波共振，電容器組合其他電力元件都可能損壞。

2.3 對(duì)電纜的影響

電流流過(guò)電纜產(chǎn)生功率損失。當(dāng)負(fù)載電流含有諧波成分，額外的損失就產(chǎn)生了。肌膚效應(yīng)導(dǎo)致電纜的阻抗隨著頻率的增加而增加。肌膚效應(yīng)是因?yàn)椴幌嗟鹊拇磐ù┻^(guò)導(dǎo)體的橫截面，導(dǎo)致交流電流只在導(dǎo)體的外部邊緣流動(dòng)。電流頻率越高，電流擁擠在導(dǎo)體外部邊緣的趨勢(shì)越大，該頻率下的有效電阻影響越大。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強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。

2.4 對(duì)保護(hù)裝置的影響

諧波電流影響保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。在非線(xiàn)性電流下，保險(xiǎn)絲和電機(jī)熱過(guò)載裝置容易引起誤動(dòng)作。這個(gè)因素在諧波運(yùn)行環(huán)境中應(yīng)該給與慎重考慮。繼電器也受諧波影響。在諧波環(huán)境中，繼電器可能動(dòng)作得比設(shè)計(jì)的快或者慢，在繼電器的應(yīng)用中要優(yōu)先考慮。

3 諧波抑制方法

3.1 調(diào)整非線(xiàn)性負(fù)載在供電系統(tǒng)中容量占比

在設(shè)計(jì)時(shí)為了使測(cè)量、控制裝置能滿(mǎn)足負(fù)載較大變化范圍，因此在設(shè)計(jì)工程供電系統(tǒng)時(shí)，可給予較大貯備量，一般選取0.5～1倍余量。若系統(tǒng)容量已經(jīng)確定，實(shí)踐中的有效方法就是限制非線(xiàn)性負(fù)載的容量在變壓器容量的30%以?xún)?nèi)。

3.2 相對(duì)于負(fù)載的電源阻抗

通過(guò)非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流可以通過(guò)電源的阻抗向其它設(shè)備傳播。作為負(fù)載源，一個(gè)典型的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在滿(mǎn)載狀態(tài)下，總的電流諧波畸變可能高到50% ～100 % 。如果把電源阻抗設(shè)計(jì)到負(fù)載阻抗的2%至5% ，總電流諧波畸變可以降到低于40% 。

4 結(jié)論

諧波是電力系統(tǒng)傳輸電能量的重要分量，準(zhǔn)確理解供電系統(tǒng)中諧波含量和抑制諧波方法，對(duì)保證用電設(shè)備運(yùn)行和保障供電安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。作為國(guó)防工程供電系統(tǒng)維護(hù)人員，有必要在諧波抑制和電壓擾動(dòng)方面進(jìn)行理論研究和實(shí)踐，運(yùn)用當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已有的可研技術(shù)成果，去消除電網(wǎng)的諧波危害，將電力系統(tǒng)諧波危害降至最低，保證國(guó)防工程用電設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。