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三次諧波的主要表現及防治方法

 發布時間:2018-11-27

相線與中性線之間的非線性負荷産生三次諧波電流,并在中性線進行疊加。由于三次諧波及其倍數次諧波呈零序特征,因此中性線上的三次諧波電流是三相中三次諧波電流的代數和,會引起過載風險使所有的諧波電流造成電流和電壓畸變,還形成150的電磁場,對其周圍的電子控制、保護及通信設備和系統産生幹擾,主要表現為:


(1)因為三次諧波的零序性,低壓母線上的三次諧波電壓主要與中性線的三次諧波電流有關;


①當變壓器接法為時,零序性的三次諧波電流将成為勵磁電流,在此零序勵磁電抗上産生較大的壓降,即三次諧波電壓,很容易造成低壓母線上的電壓總畸變率超标;


②當變壓器接法為△-0時,側的變壓器繞組形成三次諧波電流流通的回路,該回路阻抗為變壓器漏抗,遠較零序勵磁阻抗小為20倍左右 ,從而不會在低壓母線産生很大的三次諧波電壓。


(2)如果低壓三相的三次諧波電流不平衡,則存在正序和負序的三次諧波分量:


①如果配電變壓器為接線,低壓側正序和負序的三次諧波電流會在高壓側繞組感應出三次諧波電壓,對高壓側産生影響;

無功補償

②如果配電變壓器為△-11接線,低壓側正序和負序的三次諧波電流在高壓側繞組感應出的三次諧波電流在△繞組形成環流,對高壓側産生的三次諧波影響要比變壓器為接線時小,但增加了變壓器高壓繞組的損耗。


(3)由于中性線中三相負荷不平衡引起的工頻電流和三次諧波電流的疊加有可能大于相電流,當三相的三次諧波平衡時,由于接線的變壓器鐵芯中零序的三次諧波無通路,磁通隻能經鐵心、空氣和外殼等構成回路,産生附加損耗和局部過熱;而在接線中,△繞組為三次諧波電流提供通路,它所産生的三次諧波磁通将抵消鐵芯中的原三次諧波磁通,從而使鐵心中的合成磁通基本上呈正弦波,減少了附加損耗,但諧波電流的存在使因子因諧波發熱而降低變壓器輸送能力,正常值為1.0和電流波峰系數增大,造成供電變壓器的利用率下降或過載;


(4)由于中性線中電流過大,使配電系統中性線的電纜、導線出現過負荷引起絕緣老化加速,增加了火災隐患。主要原因有:


①國内普遍選取中性線導體的截面積是相線的50%;


②已運行的許多按老标準設計制造的電纜中,中性線導體的截面積是相線的33%;


③已運行的許多按新标準設計制造的電纜中,中性線導體的截面積是相線的50%;


④中性線與相線導體選取相同截面積,無論工程設計、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。


(5)由于電流和電壓畸變,增加了供電系統中其他設備和材料的損耗,引起附加發熱、加速絕緣老化、減少使用壽命;


(6)由于電流和電壓畸變,增加了供電系統中設備和材料的振動和噪音;


(7)由于電流和電壓畸變,使無功補償電容器組由于并聯諧振而損壞,電動機等繞組類設備絕緣擊穿而損壞;


(8)電流和電壓畸變及150電磁場:引起測量精确度異常,對控制所需要的同步信号的捕捉與鎖相條件惡化、幹擾增加,從而使電子控制、測量、保護及通信設備運行不正常;


(9)對用供電的廣播電視節目錄制及播放系統産生附加背景噪聲,并損壞設備;


(10)使照明光源閃爍而損壞;圖像顯示設備頻閃,顯示失真;


(11)三次諧波電流對其他設備和器材的負面影響要大于其對産生三次諧波電流的諧波源的影響。

無功補償

防治方式


    濾波器與諧波源越近,濾波效果越好,這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法尤其适用于非線性負荷的供電點集中、又與線性負荷共由一個變壓器供電的情況。如果三次諧波電流引起的三次諧波電壓畸變及變壓器過載是主要問題建議在主電源配電櫃裝設濾波器。


工程中對帶中性線低壓供電系統降低三次諧波的方式主要有4種:


(1)被動式并聯型濾波器(可以廣泛使用);


(2)被動式串聯型的濾波器(由于使低壓母線上的諧波電壓升高,不但不能消除非線性負荷之間的相互幹擾,反而增大了對線性負荷的幹擾;


由于增加了中性線的阻抗,引起配電系統接地故障保護靈敏度下降);


(3)帶中性線的有源濾波器;


(4)雙接線的變壓器


利用變壓器原、付邊繞組的曲折接線來消除電源側諧波對負荷的影響和負荷側諧波對電源側的影響,具有消除諧波的功能。既可以作為供電變壓器也可以作為隔離變壓器,适用于三相式負荷.


1.濾波器的控制方式。


(1)與常見的補償電容器組一樣,它可以由一台功率因數調整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除;


(2)可以根據中性線中的電流,由外部的電流繼電器控制其投入和切除;


(3)濾波器與負荷控制同步。


2.濾波器的保護方式


(1)利用濾波器進線前的帶複式脫扣功能的斷路器;


(2)利用濾波器進線前的熔斷器;


(3)濾波器櫃内的過電壓、過負荷繼電保護;


(4)低壓金屬化全膜電容器的内附熔絲保護。


3.确定濾波器所需要的數據


(1)中性線或相線中的三次諧波電流;


(2)濾波器接入點的電壓畸變(相對中性線);


(3)需要的無功補償功率;


(4)變壓器的容量及短路阻抗百分比;


(5)安裝地點(主配電櫃或分配電櫃)。


4.被動式串聯型的濾波器


4.1濾波器的構成

無功補償

濾波器由電容器并聯電抗器構成,然後串聯在供電系統的中性線上。

電容器電容與電抗器電感值的選擇:


(1)對50工頻形成很低阻抗的串聯諧振,以利于三相不平衡負荷引起的負序工頻電流在中性線和串接的濾波器中無障礙流通;


(2)對150三次諧波形成很高阻抗的串聯諧振,以阻礙單相非線性負荷産生的電流源性質的三次諧波電流在中性線上流通,其結果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。


4.2 濾波器與供電系統的連接


濾波器一次回路與配電系統的中性線相串連。


4.3濾波器的控制方式


通過旁路開關和旁路接觸器手動投入或切除。


4.4 濾波器的保護方式


利用綜合的檢測與保護通過旁路開關以實現下列要求:

(1)防止不平衡工頻電流在濾波器兩端引起的過電壓;

(2)防止三次諧波電流過載;

(3)供電系統内部故障;

(4)濾波器故障。


4.5 确定濾波器所需要的數據


(1)中性線或相線中的三次諧波電流;

(2)中性線中的最大工頻電流;

(3)變壓器的容量及短路阻抗百分比;

(4)配電系統的接線方式;

(5)安裝位置的環境要求。


5.三相四線式的并聯型有源濾波器


    并聯型有源濾波器實質上是一個受控的快速反應的諧波電流源,與非線性負荷并聯,自動檢測非線性負荷産生的諧波電流及濾波器與系統連接點的電壓畸變。經産生的控制信号控制高速開關器件,既将儲能的直流電容器上的直流電壓轉換成一系列的方波?再經過輸出電抗器輸出與負荷産生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流,起到補償諧波的作用,同時又控制直流電容器上的充電電壓。其結果是系統隻向負荷提供基波電流。


    每一種并聯型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇,帶中性線的設備必須使用三相四線式,且用戶應注意中性線上的電流是1倍、2倍還是3倍的相線電流。


适用的三次諧波濾波方式的對比


1.被動式并聯型三次濾波器

1.1 特點

(1)可以補償無功功率(功率因數),同時可以濾波;

(2)可以降低諧波電流和諧波電壓,減少非線性負荷之間及與線性負荷之間的相互幹擾,降低對上級電網的影響;

(3)隻需考慮無功功率和諧波濾波,不受濾波器外部供電系統故障及其他不确定因素的影響,系統接線簡單,運行安全可靠;

(4)可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統進行補償,安裝位置靈活多樣;

(5)控制方式靈活多樣,投切不影響供電系統的安全性;

(6)濾波器元件的運行參數範圍明确,内部故障保護方式成熟、可靠、簡單,不影響供電系統正常運行;

(7)可以和其他被動式濾波器和有源型濾波器配合使用。

無功補償

1.2 适用範圍


帶中性線的低壓供電系統的三次諧波濾波和功率因數補償


2.被動式串聯型三次濾波器


2.1 特點

(1)可以對諧波電流進行濾波;


(2)可以降低諧波電流,降低對上級電網的影響,理論分析和現場測試均證明串聯型濾波器增大了低壓母線上的諧波電壓,因此增大了非線性負荷之間及與線性負荷之間的相互幹擾。同時由于諧波電流的阻斷和諧波電壓的升高,對于絕大多數産生三次諧波電流的諧波電流源性質的非線性負荷,會影響其正常工作;


(3)不但要考慮諧波、濾波,還要考慮中性線上的不平衡工頻電流受濾波器外部供電系統故障及其他不确定因素的影響,由于增加了中性線的阻抗?引起配電系統接地故障保護裝置的靈敏度下降,中性線的安全直接涉及到供電系統的安全性。系統接線簡單,但運行安全可靠性低,屬于被動式三次諧波濾波器初始的方案;


(4)可以對集中的非線性負荷、變壓器總的供電系統進行補償,安裝位置不靈活;


(5)控制方式不靈活,投切影響供電系統的安全性;


(6)濾波器元件的運行參數範圍由于并聯振蕩不明确,内部故障保護方式可靠性差,影響供電系統正常運行;


(7)可以和其他被動式濾波器和有源型濾波器配合使用。


2.2 适用範圍


理論和測試數據充分證明了其安全可靠性和負面影響,在工程中慎重考慮其大量使用。


3.三相四線式并聯型有源濾波器(三相三線式不可使用)


3.1 特點


(1)自适應濾波,同時補償無功功率(功率因數);


(2)隻需考慮無功功率和諧波濾波,不受濾波器外部供電系統參數的影響,運行安全可靠;


(3)可以對單個非線性負荷、集中非線性負荷、變壓器總供電系統進行補償,安裝位置靈活多樣;


(4)控制方式自适應,投切不影響供電系統的安全性;


(5)内部保護安全可靠,不因諧波過載而退出運行、擴展容易;


(6)可以和被動式濾波器配合使用。


3.2 适用範圍

無功補償

對補償效果要求非常高,而負荷産生的諧波無論是頻率、幅值還是相位均有較大的随機性;


低壓供電系統的三次及其他特征、非特征、間諧波濾波和功率因數補償。與被動式濾波器的配合使用能夠發揮各自優勢,達到補償效果和經濟性的完美結合。

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