电能质量之谐波治理与无源电力滤波器
2015-02-04
北极星输配电网讯:近年来,随着工业的快速发展,电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加,其接入电网后会向供电系统注入大量谐波,造成附加的能量损耗以及一系列的谐波危害。
无源电力滤波器抑制电力谐波具有技术成熟、简单有效、价格较低等优点,已得到日益广泛的应用,是治理电力谐波的有效措施。近年来发展的有源滤波器的滤波效果可以不受系统运行方式变化的影响,而且能连续消除谐波,是电力滤波器的发展趋势。
1.电力谐波的产生与危害
当正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时,其电压和电流仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性电路上时,电流就变成了非正弦波,非正弦波电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变成非正弦波。
所谓“谐波”是指周期性电气分量按傅里叶级数分解,得到的次数大于1的分量。由系统侧观察非线性负载,其负载特性就如同一个线性负载和一系列谐波的发电机,如图1所示。非线性负载从电网中吸收的功率,大部分作为谐波功率返送回系统,造成附加的能量损耗及一系列的谐波危害。
图2为实测畸变电流波形,图3为畸变电流波形的谐波分析示意图。该负荷为典型的三相桥式6脉冲整流设备,其谐波含量以5次、7次、11次、13次为主,从图3可以看出,谐波次数越高,谐波幅值越小。
谐波的危害主要包括以下几个方面:
(1)谐波对旋转电机的影响
电动机吸收谐波电流会引起附加损耗,产生机械振动和噪声,引起谐波过电压。
(2)谐波对变压器的影响
较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热,并导致局部过热,谐波会使变压器的噪音增大。
(3)谐波对输电电缆的影响
由于电缆的分布电容对谐波有放大作用,在电网低谷、电网电压升高时使谐波电压升高,造成电缆局部放电、介损和温升增大,易导致电缆故障;
(4)谐波对通信的干扰和影响
谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导等构成对通信线路的干扰。
(5)谐波对电度计量的影响
对于采用感应系机构的电度表,谐波会引起电度计量的误差,其结果将导致:产生大量谐波的用户少付电费,而线性用户反而多付电费。
(6)谐波对继电保护、自动装置等的影响
在谐波和负序的共同作用下,电力系统中以负序滤过器为启动元件的多种保护和自动装置会产生误动。
2.有关电力系统谐波的国家标准
以上分析表明,谐波有百害而无一利,对电网和大量电力用户设备的安全运行是一种潜在的威胁,为了有效地控制这种危害的发展和减少其危害的程度,国家制定了GB/T14549-1993《电能质量—公用电网谐波》标准来治理上述“公害”。国标中不仅要求电网各级电压的谐波水平不超出国标限值外,还要求用户注入公用电网的谐波电流不得超出国标允许值,否则应采取治理措施。
2.1谐波电压国标限值
谐波国标中公用电网谐波电压限值见表1。
2.2谐波电流国标限值
谐波国标中公用电网谐波电流限值见表2。
2.3谐波电流允许值的换算
当考核点的最小短路容量不同于假定基准最小短路容量时,应按照国标附录B进行换算,换算公式如下
式中Sk1为公共连接点的最小短路容量,MVA;
Sk2为基准短路容量,MVA;
Ihp为表2中的第h次谐波电流允许值,A;
Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值,A。
按国标附录C的要求,在公共连接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值还需用下式进行换算
式中Ih为第一次换算的第h次谐波电流允许值,A;
Si为第i个用户的用电协议容量,MVA;
St为公共连接点的供电设备容量,MVA;
α为相位叠加系数,按表3取值。
3无源电力滤波器的工作原理及设计方法
如前所述,大量的谐波电流注入电网,必将导致共用电网的电压波形发生畸变,使电能质量下降，威胁电网和各种用电设备的安全运行。无源电力滤波器不仅可以有效吸收谐波，而且在基波下可以补偿无功功率，因此工程上又称之为谐波治理兼无功补偿装置(FC)，是目前最主要的谐波治理装置。
3.1无源电力滤波器的基本构造与工作原理
通常将产生谐波的负载看作是谐波电流源,无源滤波器的作用是为谐波电流提供一个低阻抗的通路或谐振回路,通过分流非线性负载产生的谐波电流来减少流入电网的谐波电流。
无源电力滤波器由滤波电容器和电抗器串联构成一个串联谐振滤波支路,谐振于需滤除的主要谐波频率。对应于谐波频率,电容器与电抗器的阻抗相匹配,滤波器呈纯阻性,对谐波电流构成分流支路。频率低于谐振频率时,滤波器呈容性;频率高于谐振频率时,滤波器呈感性。
图4和图5分别为无源电力滤波器的主回路原理图及其谐波等效电路。
无源电力滤波器的每个滤波支路只能对应一个串联谐振点,即每个滤波支路只能吸收某一次谐波,当谐波源含有多种频率的谐波时,需要设置多个滤波支路,分别谐振于不同频率。图7中采用的四个谐振支路分别调谐于3次、5次、7次、11次频率时得到的母线阻抗频率特性曲线。
上述由电抗器与电容器串联谐振所构成的无源滤波支路称作单调谐滤波器,是最简单也是最常用的无源滤波支路。除此之外,还有许多其它类型的无源滤波支路,如图8所示。
3.2无源电力滤波器系统构成
图9为典型无源电力滤波器系统图,主要由断路器、隔离开关、避雷器、滤波电抗器、滤波电阻器、滤波电容器组成。
3.3无源电力滤波器滤波效果实例
图10为某冶金企业无源电力滤波器滤波效果实测结果。由于该谐波负荷11次以上高次谐波含量丰富，滤波器设计充分考虑了对高次谐波的滤除效果。实测结果表明，滤波器对谐波电流的总滤除率在60%以上，滤波器投入前母排电压谐波含量高达9.2%，滤波器投入后降为3.3%，达到国家标准要求。
3.4无源电力滤波器接线方式
无源电力滤波器主要接线方式有两大类:星型接线(单星接线、双星接线)和三角型接线,如图11所示。在高压领域,从限制电容器全击穿短路时故障电流和操作过电压等方面考虑,国内比较一致的意见是舍弃三角形接线采用单星形或双星形接线,而根据低压电容器的结构性能和实际应用情况,其产生事故的原因不是由于接线,因此三角形接线对低压电容器组是正常接线方式。
电容器组的每相或每个桥臂由多台电容器串并联组合连接时,在工程中基本上都采用先并后串。由国外进口的成套设备也不例外,采用先并后串方式时当一台电容器出现击穿故障时,其故障电流由两部分组成:来自系统的工频故障电流,其余健全电容器的放电电流。通过故障电容器的电流大,外熔丝能迅速熔断把故障电容器切除,电容器组可继续运行。如采用先串后并,当一台电容器击穿时,因受到与之串联的健全电容器容抗的限制,故障电流就比前述情况小,外熔丝不能尽快熔断,故障延续时间长,与故障电容器串联的健全电容器可能因长期过电压而损坏,而且在电容器故障相同的情况下先并后串方式的电容器过压小,利于安全运行。
3.5滤波电容器常用的保护方式
滤波电容器除了常规的过流、速断、过压、欠压保护外，还应该设置不平衡保护。单星型接线的滤波器应采用开口三角电压保护，串联段数为二段及以上的单星形电容器组应采用电压差动保护，每相能接成四个桥臂的单星形电容器组可采用桥式差电流保护，双星形接线电容器组可采用中性点不平衡电流保护。具体保护方式如图12所示。
3.6过电压保护措施
滤波器在被切除时,若断路器出现单相或两相重击穿,滤波器各点对地或电容器两端将产生较高的操作过电压,危及设备绝缘。并联电容器组过电压主要是指分闸重击穿过电压,包括单相重击穿和多相重击穿过电压。并联电容器组操作过电压的危害总的来说主要可概括为两方面:一是损坏并联电容器组的设备,持续的过电压会大大降低电容器装置的寿命,严重的操作过电压会破坏电容器的对地绝缘或发生极间击穿,使电容器装置不能正常运作,影响电网的正常运行;二是对远端变电所的设备绝缘造成危害,严重时造成事故使电网瘫痪,带来重大经济损失。因此,必须采取有效措施减少和预防过电压的发生,同时加强各项保护措施将操作过电压的危害消减到最低。
为了限制切除电容器引起的操作过电压,选择断路器必须慎重,断路器合闸弹跳时间不大于2ms,能承受关合涌流以及工频短路电流和电容器高频涌流的联合作用,每天投切超过三次的断路器,应具备频繁操作的性能。
避雷器用于限制并联电容器装置操作过电压保护时应选用无间隙金属氧化物避雷,与电容器组并联连接的避雷器、与串联电抗器并联连接的避雷器和中性点避雷器的参数选择应根据工程设计的具体条件进行模拟计算确定。
3.7滤波电容器安全运行校验
滤波电容器在运行中除供给所需的基波电流外,还将吸收负荷产生的谐波电流。这样,通过滤波电容器的电流就有基波和谐波电流(以滤波支路相对应的谐波电流为主,也有部分非同次谐波电流)。这些电流通过电容器时,将在其两端产生基波电压和谐波电压。由于滤波器长期处于这种特殊的运行状态,为保证其长期、安全运行,对设计的各滤波电容器必须按照标准进行校验,其校验公式如下
4有源电力滤波器的发展简介
无源滤波器具有结构简单、容易设计的优点,但无源滤波器的滤波效果取决于无源滤波器和系统谐波阻抗的比值,受系统结构变化影响大,由于采用单调谐方式,不能对谐波进行连续的消除,并且和系统阻抗相作用,容易产生并联或串联谐振,滤波效果不好,并且容易受温度漂移、网络上谐波污染、电容器老化等影响。另外,无源滤波器只能过滤一种谐波成分,如果要过滤不同频率的谐波,则要采用不同的无源滤波器。
随着全控型功率器件技术的进步及越来越多敏感负载对滤波效果要求的提高,有源滤波器开始受到人们的重视。有源电力滤波器与无源电力滤波器的工作原理完全不同,它是通过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流,来抵消非线性负载产生的谐波电流,以使谐波不会流入公共供电回路,如图13所示。
有源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方向,具有无源滤波器无法比拟的许多优点,表4为无源电力滤波器与有源电力滤波器的对比,可供参考。
5结束语
电力谐波是一种电网污染和公害,已引起人们的高度关注。采用电力电容器、电抗器等无源器件实现电力谐波抑制和谐波滤除,具有简单有效的突出优点,仍然是目前治理电力谐波问题的主要技术手段。正确掌握这一技术手段,有效治理电力谐波,具有重要意义。推广、应用电力谐波治理技术是有关专业技术人员义不容辞的责任。
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