電網(wǎng)元件的頻率特性

1　諧波

對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。其頻率范圍一般為2≤n≤40。

2　諧波源

向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，針對(duì)天津港這一特定供電環(huán)境而言，經(jīng)天津電科院測試，主要的諧波源是采用交-直-交及變頻調(diào)速的碼頭機(jī)械，這些設(shè)備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形式有關(guān)，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對(duì)稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會(huì)產(chǎn)生非特征諧波。進(jìn)行諧波分析和計(jì)算最有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。

當(dāng)電網(wǎng)接有多個(gè)諧波源時(shí)，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術(shù)和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當(dāng)各相激磁電流不平衡時(shí)，可使3次諧波的殘余分量(最多可達(dá)20%)進(jìn)入電網(wǎng)。

3　諧波傳輸

對(duì)于多電壓等級(jí)的電網(wǎng)，其諧波的特點(diǎn)是諧波電流由低壓側(cè)流向高壓側(cè)，其大小基本上與高壓側(cè)參數(shù)無關(guān)，可視為恒流源。諧波電壓由高壓側(cè)傳輸?shù)降蛪簜?cè)，可視為恒壓源。在進(jìn)行諧波分析時(shí)，就是根據(jù)這個(gè)原則構(gòu)造電網(wǎng)的諧波等效電路。

3.1　電網(wǎng)元件的頻率特性

在諧波頻率范圍內(nèi)，由于渦流和漏磁場作用，電網(wǎng)元件的諧波參數(shù)要考慮長線效應(yīng)，即變壓器和導(dǎo)線的等效電阻R隨頻率的上升而增加，等效電感L隨頻率的上升而降低。電纜、導(dǎo)線和電容器的電容C基本不隨頻率變化而保持恒定。負(fù)載阻抗與頻率的關(guān)系依負(fù)載的不同而異。

3.2　電網(wǎng)等效電路

電網(wǎng)可以由電網(wǎng)各元件的諧波參數(shù)Rn、In和Cn組成等效網(wǎng)絡(luò)。三相對(duì)稱電網(wǎng)的等效電路圖通常采用單相表示。根據(jù)等效電路計(jì)算各頻率下的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Yn，求出阻抗Zn，計(jì)算諧波電壓Un=ZnIn。

4　諧波限值

為使電網(wǎng)諧波電壓保持在允許值以下，必須限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流量。大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼制定了電網(wǎng)諧波管理的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。諧波管理標(biāo)準(zhǔn)的制定是基于電磁相容性的原則，即在一個(gè)共同的電磁環(huán)境中，電氣設(shè)備既能正常工作，又不得過量地干擾這個(gè)環(huán)境。

我國已于1993年頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-93)，規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的允許值。

5　諧波危險(xiǎn)

諧波增加電氣設(shè)備的熱損耗，干擾其功能甚至引發(fā)故障。另外諧波可對(duì)信息系統(tǒng)產(chǎn)生頻率耦合干擾。

5.1　電動(dòng)機(jī)

諧波電壓在電動(dòng)機(jī)短路阻抗上產(chǎn)生的諧波電流和電動(dòng)機(jī)負(fù)序基波電流I一起使設(shè)備產(chǎn)生附加熱損耗，并且在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)容易發(fā)展成干擾力矩。諧波電流和負(fù)序基波電流有效值之和一般不得大于電動(dòng)機(jī)額定電流Ie的5%～10%。

5.2　電容器

諧波可使電容器過流發(fā)熱。有關(guān)規(guī)程規(guī)定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流(Ic=CUn)。位于諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊制造。

5.3　電子裝置

諧波電壓可使晶閘管觸發(fā)裝置發(fā)生觸發(fā)錯(cuò)誤，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。諧波也會(huì)對(duì)電網(wǎng)音頻控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生不良影響。

5.4　通訊系統(tǒng)

在2.5kHz以下導(dǎo)線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特別是較高次諧波會(huì)對(duì)通訊及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾。

6　諧波抑制

將三相橋式電路的脈動(dòng)數(shù)從6提高到12，可消除5次、7次諧波。將多個(gè)諧波源接于同一段母線，利用諧波的相互補(bǔ)償作用也可降低電網(wǎng)諧波含量。

當(dāng)諧波量超出規(guī)程允許值或者電網(wǎng)在諧波范圍內(nèi)有諧振時(shí)，通常設(shè)置單調(diào)諧濾波器吸收特征諧波。對(duì)于13次及以上的諧波，可設(shè)置一個(gè)高通濾波器。濾波回路也會(huì)吸收電網(wǎng)原有諧波并可能導(dǎo)致過負(fù)荷。一般通過調(diào)整失諧率，降低品質(zhì)因數(shù)或者通過附加電子裝置控制電流值來避免過負(fù)荷。電容器可通過串聯(lián)電抗器形成諧波阻塞回路，以防止電容器諧波過負(fù)荷。一般將串聯(lián)諧振頻率定在250Hz以下。

7　電網(wǎng)中含有諧波情況下的無功補(bǔ)償

7.1　對(duì)原有變流器負(fù)荷的補(bǔ)償

當(dāng)電網(wǎng)接有諧波源負(fù)載(例如變流器等)時(shí)，不能將補(bǔ)償電容器直接接于電網(wǎng)，因?yàn)殡娙萜髋c電網(wǎng)阻抗形成并聯(lián)諧振回路，在對(duì)諧振頻率進(jìn)行估算時(shí)，可以根據(jù)電網(wǎng)短路功率Sk"和電容器基波補(bǔ)償容量Qc1計(jì)算Vr=F(Qcl/Sk")。

在5次諧波頻率下電網(wǎng)具有諧振，并聯(lián)阻抗Xp大大升高，由諧波源發(fā)出的5次諧波電流流入諧振回路后，會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變。在電網(wǎng)和電容器之間流動(dòng)的平衡電流可達(dá)諧波源發(fā)出的電流的數(shù)倍，即諧波放大，此時(shí)變壓器和電容器承受大于正常情況的負(fù)荷，特別是電容器，長期運(yùn)行于過負(fù)荷狀態(tài)，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸�？梢愿鶕�(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計(jì)算出并聯(lián)諧振頻率，調(diào)整電容器容量配置，使并聯(lián)諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實(shí)際的電網(wǎng)阻抗不為常數(shù)，而時(shí)常處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當(dāng)電容器分組調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，情況更為復(fù)雜。

當(dāng)需要對(duì)接有諧波源設(shè)備的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，必須采取技術(shù)措施，將并聯(lián)諧振點(diǎn)移到安全位置，而實(shí)踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯(lián)電抗器。

7.2　電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個(gè)串聯(lián)諧振回路，在諧振頻率下呈現(xiàn)出很低的阻抗(理論上為0)。如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)特征諧波頻率一致，則成為純?yōu)V波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯(lián)諧振頻率通常低于電網(wǎng)的最低次特征諧波頻率，即設(shè)定為基波頻率的3.8～4.2倍。