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供 用 电
第22卷第5期
2005年10月
谐波对电网影响的探讨与研究
李明强1杰1,王 双12,王 3
(1.上海交通大学电气工程系,上海 200030;2.上海石化股份有限公司公用事业公司,;
3.上海沪闵建筑设计院有限公司 )
中图分类号:TM727 文献标识码:B 文章编号) 在理想情况下,波形的电压,为基波频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量,又称为高次谐波。在供电系统中,产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称非线性负荷)供电的结果。由于谐波的作用,引起供电部门经济损失:设备产生附加损耗;降低供配电及用电设备的效率;增加了电网损失;缩短了电气设备的寿命。本文就谐波对功率因数及网损的影响,对电气设备安全经济运行的危害,提出了抑制谐波、预防谐波的方法。
,以提高功率因数、降低网损。但是由于谐波的存在,如不重视电网中谐波的治理,这一良好初衷将达不到较满意的效果。
在非正弦波情况下,难以用电压和电流间的相位差这个概念来表述功率因数,这时一般用功率关系来定义功率因数。
φ=cos
D
2
+Q+D-P-Q
2
2
2
2
2
2
=
式中:D为畸变功率;P为有功功率;Q为无功功
率;S为视在功率。
从以上的公式可看出,电网中存在谐波将引起功率因数的降低,从而间接引起电网损耗增加。
另外,谐波还直接引起电网的损耗增加。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗及电能损耗,使导体发热严重,从而提高了电网的网损;当系统发生谐振或谐波放大,尤其是高次谐波的情况下,谐波电流污染对网损的影响将更为明显。1.3 谐波对计量装置准确度的影响
供电部门的一项重要考核指标是“线损率”,这是综合反映电网经济运行管理水平和供电企业经济效益的主要指标之一。除了上述增加电网运行损耗外,谐波也是影响计量装置准确度的主要因素。电量计量的准确度,直接关系到供电部门对线损率的统计和考核上。计量仪表的误差主要反映在电能表上。在系统内电能表有两种,即感应型电能表和电子式电能表。感应型电能表对谐波具有下降频率特性,即对于同样大小的功率,
电能表反应基波功率的转速,随谐波次数的增大而减小;电子式电能表受电能质量指标影响产生的
1 谐波对电网的影响
1.1 谐波产生的过程
在电力系统中,存在大量非线性负荷,致使电网中电流波形为非正弦波。这一非正弦波可用傅里叶级数分解为一个直流分量、基波正弦量和一系列频率为基波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。sinω1t项称为基波,在电网中就是工频的周期,其他各项均称为谐波,sin3ω1t项称为3次谐波,sin5ω。1t项称为5次谐波……1.2 谐波对电网损耗的影响在某35kV电网中,工业用电负荷占整个用电量的90%以上。由于谐波的产生主要来自于非线性特性的电气设备,例如大功率的化工整流设备。由于化工装置大量采用的变频设备这一谐波源,不但使整个电网电压严重失真,引起电能质量的恶化,而且电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能,引起供电企业电能的额外损耗。
根据规定,供电企业应对下属电力用户实行
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误差要较感应型电能表小得多,其误差主要源自
其输入模块。在结构设计上,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,磁通不能相应地线性变化而产生误差,影响了电能表的整体计量精度。1.4 谐波对电能质量及设备寿命的影响
目前用户的各种电力电子设备、非线性负荷及冲击负荷不断增加,使得电网电能质量指标日益恶化,直接影响到系统运行的经济性稳定性。谐波引起过电压、容器、,等。,当,,力矩不稳,甚至损坏。谐波还能引起公用电网局部并联谐振和串联谐振,使谐波放大,导致继电保护和自动装置的误动作。特别是谐波使电缆的介质损耗及输电损耗增加,泄漏电流加大,从而引发单相接地故障的可能性大大增加。目前,35kV、10kV电力系统很多是采用中性点经消弧线圈接地,运行情况表明:在电网中单相接地时由于谐波的影响,接地点电弧是不能自行熄灭的,容易引起弧光过电压。这是因为系统内中性点的消弧线圈对抑制接地故障的发生是按照电网的工频参数调谐的,对谐波不起作用,因而发生接地故障时,当电网中的谐波电流较大时(特别是以电缆为主的供电网络),谐波电流在接地点得不到补偿,灭弧及限制接地电流的作用失效,单相接地也就有可能发展成为两相或三相短路,从而引起电缆绝缘的过度损伤。以35kV系统为例:当电网处在全补偿状态下(设系统电容电流为150A,取If=10%Ic,d=8%),接地点残流仍大大超过电力部规定的标准。
Ig=
VIC)2+(dIC)2+(If)2=19.2A
命,应从管理上和技术两方面采取对策。2.1 贯彻执行有关谐波的国家标准,加强谐波监督管理
GB17625.121998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值》中规定,≤16A。2,,规定了各:0.38kV的不大于5%;6,10kV的不大于4%;35kV的不大于3%,对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。
由于电网供给电源的电子电气设备大都是非线性设备,谐波电流含有率很高,大量的谐波电流注入电网,使电网的电压畸变十分严重,可以从以下几方面对电网谐波进行监督管理。
1)建立谐波监督管理系统,定期对电网内的谐波进行测试,并建立有关的数据库。
2)分级做好新报装和现有非线性负荷的谐波设计审查和测试工作,由用电部门建立相关的技术资料档案。
3)加强对电力用户谐波的监督管理,具体步骤为:
(1)查明谐波源设备的参数,如型号、台数、容量、额定电压、电流、接线方式等;同时查明系统参数,如短路容量、谐波电压和谐波阻抗等。
(2)进行谐波计算,计算注入电网的多次谐波电流及其在系统中产生的谐波电压;计算原有的谐波源与新接入的谐波源在系统中造成的总谐波电压的畸变值,若超过国家规定标准而不采取消除谐波措施者,可中止对其供电。
(3)对主要的谐波源用户安装自动监测记录仪或谐波报警装置,并采取考核,利用经济手段督促超标用户采取治理措施。
(4)分析谐波事故(或异常),制定相应的反事故措施。
(5
)开展谐波技术培训和交流工作。2.2 采用先进的有源滤波装置,抑制电网中的谐
式中:Ig为全接地电流;IC为系统电容电流;d为
电网阻尼率;V为电网脱谐度;If为高次谐波电流。
由上可知,电网处在全补偿状态,接地点残流为19.2A,超过10A的规定标准。
2 抑制谐波、加强谐波管理
按照目前技术水平,消除谐波还不可能。为减少供电系统谐波问题,提高电网运行管理水平,降低电网损耗,提高供电质量和供电设备使用寿
波含量
目前高次谐波的抑制方法有装设分流滤波
(下转第30页)
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供 用 电2005年第5期
可采取的解决方法是调整指示器动作响应曲
线,从电流幅值和时间上避开大多数电机反馈送电电流。在实际应用中一旦发生电机反馈送电,造成指示器误动作,出现两条线路指示器同时翻牌指示的现象,可用排除法,即先排除有大型电机的线路。因为同一时刻发生两个故障的概率很低。
如果反馈送电发生在故障点下方,就无法判断故障所在的区段,,,究识别方法2)指示器作为一个独立的装置挂在配电线路上,虽然与相邻的相线没有电气连接,但在同杆架设线路上当发生短路故障断路器跳闸后,由于非故障线路仍在供电,指示器仍然能感受到电场的存在,误认为电压没有降零,因此有发生拒动现象的可能。
目前的解决办法是用于同杆架设的指示器取消电压降零判据,保留电流降零判据,因为同杆架设的线路大多为出线,线路电流幅值指示器可识别。然而在线路末端线路电流很小,指示器难以识别,只能保留电压降零判据。这会给使用带来一些麻烦。对此问题可采取的解决办法是用判断电压的下降来作为动作判据之一。2.2 关于小电流接地系统的单相接地故障
小电流接地系统的单相接地故障一直是困扰供电部门的难题。挂在线路上的故障指示器作为一个独立的装置,没有相邻参数的比对分析,要准确指示接地故障相当困难。目前比较准确的方法是在变电站安装一信号源装置。发生接地故障(上接第19页)
时,信号源向故障线路发出具有明显特征的电流信号,该电流经故障线路、接地故障点和大地返回信号源。故障指示器检测到这个信号电流经解码确认是信号源发出的信号,自动翻牌指示接地故障所在的出线和分支点,,流,,运行统计结果准确率达到以上。这种方式的缺点是不能准确指示高阻接地和瞬时接地故障。但就目前技术水平而言,这是解决单相接地故障定位最准确的方法。建议设计部门在设计新的变电站时留下信号源的位置,不仅能够解决小电流接地选线问题还有助于解决接地故障点的定位问题。这对于无人值班的变电站更为重要。2.3 关于指示方式
外故障指示器采用的闪光指示方式便于夜间观察,但白天在阳光直射情况下发光仍不及翻牌显示容易观察,而且需要加电池,增加成本,污染环境。随着通信技术的发展,利用手机短信的方式传送故障信号的产品已在国内一些地方试运行。这种方式方便快捷,但成本较高。
3 结语
故障指示器有别于其他产品,其质量性能优劣的认定需要经过很长的运行时间检验,因此建议有关管理部门制定此类产品的行业及国家标准,规范市场。
收稿日期:2005年8月
张 斌 电机制造专业,高级工程师
袁钦成 电力系统及其自动化专业,教授级高级工程师
器、装设静止无功补偿装置等,可以滤除系统谐
波、减少电力用户向系统注入谐波电流,并可改善功率因数。
3 结束语
随着电力电子技术的发展,各种电子设备的广泛使用,使电力系统谐波问题日趋严重,引起了国内外电力行业的普遍重视。
产生谐波的用电部门和电力用户要尽量限制谐波的发生水平。供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波干扰的能力,将谐波管理和监督工作纳入电力生产的正常轨道。只有供电、用电部门齐心协力,才能搞好治理谐波的这项系统工程,提高电能质量,提高电网的经济效益。
收稿日期:2005年4月
李明强 上海交通大学电气工程系,硕士研究生,现在上海
石化股份有限公司公用事业公司工作
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谐波对电网影响的探讨与研究
李明强1杰1,王 双12,王 3
(1.上海交通大学电气工程系,上海 200030;2.上海石化股份有限公司公用事业公司,;
3.上海沪闵建筑设计院有限公司 )
中图分类号:TM727 文献标识码:B 文章编号) 在理想情况下,波形的电压,为基波频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量,又称为高次谐波。在供电系统中,产生谐波的根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备(又称非线性负荷)供电的结果。由于谐波的作用,引起供电部门经济损失:设备产生附加损耗;降低供配电及用电设备的效率;增加了电网损失;缩短了电气设备的寿命。本文就谐波对功率因数及网损的影响,对电气设备安全经济运行的危害,提出了抑制谐波、预防谐波的方法。
,以提高功率因数、降低网损。但是由于谐波的存在,如不重视电网中谐波的治理,这一良好初衷将达不到较满意的效果。
在非正弦波情况下,难以用电压和电流间的相位差这个概念来表述功率因数,这时一般用功率关系来定义功率因数。
φ=cos
D
2
+Q+D-P-Q
2
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2
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=
式中:D为畸变功率;P为有功功率;Q为无功功
率;S为视在功率。
从以上的公式可看出,电网中存在谐波将引起功率因数的降低,从而间接引起电网损耗增加。
另外,谐波还直接引起电网的损耗增加。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗及电能损耗,使导体发热严重,从而提高了电网的网损;当系统发生谐振或谐波放大,尤其是高次谐波的情况下,谐波电流污染对网损的影响将更为明显。1.3 谐波对计量装置准确度的影响
供电部门的一项重要考核指标是“线损率”,这是综合反映电网经济运行管理水平和供电企业经济效益的主要指标之一。除了上述增加电网运行损耗外,谐波也是影响计量装置准确度的主要因素。电量计量的准确度,直接关系到供电部门对线损率的统计和考核上。计量仪表的误差主要反映在电能表上。在系统内电能表有两种,即感应型电能表和电子式电能表。感应型电能表对谐波具有下降频率特性,即对于同样大小的功率,
电能表反应基波功率的转速,随谐波次数的增大而减小;电子式电能表受电能质量指标影响产生的
1 谐波对电网的影响
1.1 谐波产生的过程
在电力系统中,存在大量非线性负荷,致使电网中电流波形为非正弦波。这一非正弦波可用傅里叶级数分解为一个直流分量、基波正弦量和一系列频率为基波频率整数倍的高次谐波正弦分量之和。sinω1t项称为基波,在电网中就是工频的周期,其他各项均称为谐波,sin3ω1t项称为3次谐波,sin5ω。1t项称为5次谐波……1.2 谐波对电网损耗的影响在某35kV电网中,工业用电负荷占整个用电量的90%以上。由于谐波的产生主要来自于非线性特性的电气设备,例如大功率的化工整流设备。由于化工装置大量采用的变频设备这一谐波源,不但使整个电网电压严重失真,引起电能质量的恶化,而且电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能,引起供电企业电能的额外损耗。
根据规定,供电企业应对下属电力用户实行
2005年第5期
供 用 电
19
误差要较感应型电能表小得多,其误差主要源自
其输入模块。在结构设计上,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,磁通不能相应地线性变化而产生误差,影响了电能表的整体计量精度。1.4 谐波对电能质量及设备寿命的影响
目前用户的各种电力电子设备、非线性负荷及冲击负荷不断增加,使得电网电能质量指标日益恶化,直接影响到系统运行的经济性稳定性。谐波引起过电压、容器、,等。,当,,力矩不稳,甚至损坏。谐波还能引起公用电网局部并联谐振和串联谐振,使谐波放大,导致继电保护和自动装置的误动作。特别是谐波使电缆的介质损耗及输电损耗增加,泄漏电流加大,从而引发单相接地故障的可能性大大增加。目前,35kV、10kV电力系统很多是采用中性点经消弧线圈接地,运行情况表明:在电网中单相接地时由于谐波的影响,接地点电弧是不能自行熄灭的,容易引起弧光过电压。这是因为系统内中性点的消弧线圈对抑制接地故障的发生是按照电网的工频参数调谐的,对谐波不起作用,因而发生接地故障时,当电网中的谐波电流较大时(特别是以电缆为主的供电网络),谐波电流在接地点得不到补偿,灭弧及限制接地电流的作用失效,单相接地也就有可能发展成为两相或三相短路,从而引起电缆绝缘的过度损伤。以35kV系统为例:当电网处在全补偿状态下(设系统电容电流为150A,取If=10%Ic,d=8%),接地点残流仍大大超过电力部规定的标准。
Ig=
VIC)2+(dIC)2+(If)2=19.2A
命,应从管理上和技术两方面采取对策。2.1 贯彻执行有关谐波的国家标准,加强谐波监督管理
GB17625.121998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值》中规定,≤16A。2,,规定了各:0.38kV的不大于5%;6,10kV的不大于4%;35kV的不大于3%,对限制公用电网中的谐波起到了积极的作用。
由于电网供给电源的电子电气设备大都是非线性设备,谐波电流含有率很高,大量的谐波电流注入电网,使电网的电压畸变十分严重,可以从以下几方面对电网谐波进行监督管理。
1)建立谐波监督管理系统,定期对电网内的谐波进行测试,并建立有关的数据库。
2)分级做好新报装和现有非线性负荷的谐波设计审查和测试工作,由用电部门建立相关的技术资料档案。
3)加强对电力用户谐波的监督管理,具体步骤为:
(1)查明谐波源设备的参数,如型号、台数、容量、额定电压、电流、接线方式等;同时查明系统参数,如短路容量、谐波电压和谐波阻抗等。
(2)进行谐波计算,计算注入电网的多次谐波电流及其在系统中产生的谐波电压;计算原有的谐波源与新接入的谐波源在系统中造成的总谐波电压的畸变值,若超过国家规定标准而不采取消除谐波措施者,可中止对其供电。
(3)对主要的谐波源用户安装自动监测记录仪或谐波报警装置,并采取考核,利用经济手段督促超标用户采取治理措施。
(4)分析谐波事故(或异常),制定相应的反事故措施。
(5
)开展谐波技术培训和交流工作。2.2 采用先进的有源滤波装置,抑制电网中的谐
式中:Ig为全接地电流;IC为系统电容电流;d为
电网阻尼率;V为电网脱谐度;If为高次谐波电流。
由上可知,电网处在全补偿状态,接地点残流为19.2A,超过10A的规定标准。
2 抑制谐波、加强谐波管理
按照目前技术水平,消除谐波还不可能。为减少供电系统谐波问题,提高电网运行管理水平,降低电网损耗,提高供电质量和供电设备使用寿
波含量
目前高次谐波的抑制方法有装设分流滤波
(下转第30页)
30
供 用 电2005年第5期
可采取的解决方法是调整指示器动作响应曲
线,从电流幅值和时间上避开大多数电机反馈送电电流。在实际应用中一旦发生电机反馈送电,造成指示器误动作,出现两条线路指示器同时翻牌指示的现象,可用排除法,即先排除有大型电机的线路。因为同一时刻发生两个故障的概率很低。
如果反馈送电发生在故障点下方,就无法判断故障所在的区段,,,究识别方法2)指示器作为一个独立的装置挂在配电线路上,虽然与相邻的相线没有电气连接,但在同杆架设线路上当发生短路故障断路器跳闸后,由于非故障线路仍在供电,指示器仍然能感受到电场的存在,误认为电压没有降零,因此有发生拒动现象的可能。
目前的解决办法是用于同杆架设的指示器取消电压降零判据,保留电流降零判据,因为同杆架设的线路大多为出线,线路电流幅值指示器可识别。然而在线路末端线路电流很小,指示器难以识别,只能保留电压降零判据。这会给使用带来一些麻烦。对此问题可采取的解决办法是用判断电压的下降来作为动作判据之一。2.2 关于小电流接地系统的单相接地故障
小电流接地系统的单相接地故障一直是困扰供电部门的难题。挂在线路上的故障指示器作为一个独立的装置,没有相邻参数的比对分析,要准确指示接地故障相当困难。目前比较准确的方法是在变电站安装一信号源装置。发生接地故障(上接第19页)
时,信号源向故障线路发出具有明显特征的电流信号,该电流经故障线路、接地故障点和大地返回信号源。故障指示器检测到这个信号电流经解码确认是信号源发出的信号,自动翻牌指示接地故障所在的出线和分支点,,流,,运行统计结果准确率达到以上。这种方式的缺点是不能准确指示高阻接地和瞬时接地故障。但就目前技术水平而言,这是解决单相接地故障定位最准确的方法。建议设计部门在设计新的变电站时留下信号源的位置,不仅能够解决小电流接地选线问题还有助于解决接地故障点的定位问题。这对于无人值班的变电站更为重要。2.3 关于指示方式
外故障指示器采用的闪光指示方式便于夜间观察,但白天在阳光直射情况下发光仍不及翻牌显示容易观察,而且需要加电池,增加成本,污染环境。随着通信技术的发展,利用手机短信的方式传送故障信号的产品已在国内一些地方试运行。这种方式方便快捷,但成本较高。
3 结语
故障指示器有别于其他产品,其质量性能优劣的认定需要经过很长的运行时间检验,因此建议有关管理部门制定此类产品的行业及国家标准,规范市场。
收稿日期:2005年8月
张 斌 电机制造专业,高级工程师
袁钦成 电力系统及其自动化专业,教授级高级工程师
器、装设静止无功补偿装置等,可以滤除系统谐
波、减少电力用户向系统注入谐波电流,并可改善功率因数。
3 结束语
随着电力电子技术的发展,各种电子设备的广泛使用,使电力系统谐波问题日趋严重,引起了国内外电力行业的普遍重视。
产生谐波的用电部门和电力用户要尽量限制谐波的发生水平。供电部门和电力用户都要想方设法提高设备抗御谐波干扰的能力,将谐波管理和监督工作纳入电力生产的正常轨道。只有供电、用电部门齐心协力,才能搞好治理谐波的这项系统工程,提高电能质量,提高电网的经济效益。
收稿日期:2005年4月
李明强 上海交通大学电气工程系,硕士研究生,现在上海
石化股份有限公司公用事业公司工作