諧波對電氣運(yùn)行設(shè)備的危害分析

廣東電力發(fā)展股份有限公司沙角A電廠 鄧奇鷹

在電氣設(shè)備正常運(yùn)行過程中，諧波的出現(xiàn)不僅會降低電氣設(shè)備電壓的穩(wěn)定性，增大斷路器跳閘的可能性，還會使得電氣設(shè)備中心線出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象，進(jìn)而影響整個電氣電路的供電安全，因此降低諧波的出現(xiàn)次數(shù)與頻率，成為一項必要的工作。

1 諧波的概念及產(chǎn)生原因

1.1 諧波的概念

諧波的電量一般為電流所含頻率基波的整數(shù)倍，若對周期性非正弦波進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解處理，那么諧波為大于基波頻率電流所產(chǎn)生的電量?，F(xiàn)階段，在類似發(fā)電機(jī)、變壓器這類的旋轉(zhuǎn)設(shè)備中，通過空間諧波可以將諧波傳輸至電網(wǎng)中，在類似變壓器這樣的固定設(shè)備中，鐵芯的非線性可能會導(dǎo)致諧波的發(fā)生。

1.2 諧波產(chǎn)生原因

現(xiàn)階段，諧波產(chǎn)生的原因相對較多。具體來說，在科學(xué)、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人們對電力資源的需求量不斷增長，為了在滿足人們用電需求的基礎(chǔ)上，降低電力供應(yīng)工作給自然環(huán)境造成的破壞，光電、水電、風(fēng)電等新型電能產(chǎn)生方式產(chǎn)生的電能被接入電網(wǎng)系統(tǒng)中，盡管這一情況的出現(xiàn)有效緩解了當(dāng)前社會電能供應(yīng)緊張的矛盾，但新能源系統(tǒng)的接入一方面使得原本由單個設(shè)備及其配套設(shè)施組成的電力系統(tǒng)變得更為復(fù)雜；另一方面，會導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生一定量的諧波，這些諧波的存在不僅會影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，還會增大電氣運(yùn)行設(shè)備的故障率。供電系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備分布、非線性設(shè)備的使用等因素的存在，同樣會導(dǎo)致大量諧波的產(chǎn)生，同時非線性負(fù)載同樣會產(chǎn)生大量的諧波電流，如受家用電磁爐、微波爐等非線性設(shè)備在工作過程中會產(chǎn)生尖頂電流的影響，電源電壓的正弦波將會產(chǎn)生畸變，進(jìn)而對電網(wǎng)體系的供電質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響[1]。

2 諧波對電氣運(yùn)行設(shè)備的影響

2.1 電氣設(shè)備異常與諧波的關(guān)系

理想狀態(tài)下，電源頻率應(yīng)當(dāng)是固定的，幅值也符合規(guī)范要求的，但在電力資源的實際產(chǎn)生、消耗過程中，不可避免地會產(chǎn)生一定的諧波電流、電壓，這些電流、電壓的存在會對“污染”正常的電網(wǎng)體系，這一情況的出現(xiàn)會使用電設(shè)備的工作環(huán)境變得更為惡劣，對用電設(shè)備的正常工作狀態(tài)產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)而導(dǎo)致用供電質(zhì)量的下降、電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的異常、繼電保護(hù)裝置的誤動等問題的出現(xiàn)。

具體來說，一是電網(wǎng)系統(tǒng)帶負(fù)荷能力與電力設(shè)備運(yùn)行成本之間將會呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，若電網(wǎng)中存在大量的無功功率，那么電力設(shè)備運(yùn)行成本必然會大幅度上漲。

二是諧波的存在會導(dǎo)致供電電壓波形變尖，峰值上漲，對于交流電磁設(shè)備來說，這一情況的存在會增大設(shè)備的鐵損、銅損以及絕緣材料承受對地電壓進(jìn)而縮短設(shè)備的使用壽命、降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

三是若頻繁移動安裝電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，那么電網(wǎng)出現(xiàn)諧振狀態(tài)的可能性將會大幅度上升，進(jìn)而給用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成阻礙。

四是對于電動機(jī)繞組來說，增加的諧波頻率會強(qiáng)化中電流的趨膚效應(yīng)，知識電動機(jī)的渦流、磁滯損耗大幅度上升。同時，諧波過電壓將會導(dǎo)致泄漏電流增大這一情況的存在會降低定子繞組的絕緣性，致使防電擊穿現(xiàn)象出現(xiàn)。諧波電流的存在會增大脈動電磁轉(zhuǎn)矩，若負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩過大，不可避免地會導(dǎo)致電磁噪聲的出現(xiàn)，這一情況的出現(xiàn)同樣會影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。對于機(jī)械設(shè)備來說，若共振增強(qiáng)，那么設(shè)備元件可能會出現(xiàn)扭曲變形的問題，降低設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度，強(qiáng)化機(jī)械疲勞，直至設(shè)備整體出現(xiàn)損壞，增大用電設(shè)備的使用成本，降低設(shè)備的使用效益。

五是繼電保護(hù)裝置作為保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重要設(shè)備，其工作電壓電流以正弦工頻特性為基礎(chǔ)完成的設(shè)計，并且在安裝過程中，繼電保護(hù)裝置與諧波源較近，這一情況的出現(xiàn)使得繼電器的動作特性容易受到諧波的干擾，進(jìn)而影響設(shè)備應(yīng)用的靈敏性，在實際使用過程中，增大繼電保護(hù)裝置拒動、誤動等問題的出現(xiàn)概率，降低電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用的安全性[2]。

2.2 電氣驅(qū)動系統(tǒng)各部位與諧波的關(guān)系

2.2.1 電機(jī)部

三相交流電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，會導(dǎo)致奇次諧波的出現(xiàn)，這種諧波會與整流器相互作用，產(chǎn)生非對稱基本偶次諧波，這一情況的出現(xiàn)與電機(jī)旋轉(zhuǎn)效果存在著直接的聯(lián)系。

2.2.2 負(fù)載部

電機(jī)驅(qū)動過程中，被驅(qū)動的部分為負(fù)載，與負(fù)載相關(guān)的諧波群主要為反射高次諧波。電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓諧波量與其相對應(yīng)的電壓峰值之間呈正比例關(guān)系，若電壓諧波量過高，那么電壓峰值不可避免地會增加，這一情況的出現(xiàn)使得電壓在通過電容器時，產(chǎn)生內(nèi)部放電現(xiàn)象，導(dǎo)致電容器內(nèi)部絕緣層被擊穿，影響電容器的工作質(zhì)量。

2.2.3 變頻部

變頻部的諧波組成情況如下：一是驅(qū)動高次諧波群；二是復(fù)合系統(tǒng)的反射高次諧波群；三是控制高次諧波群。在變頻器實際工作過程中，設(shè)備輸出的諧波會對電機(jī)、電力電容、開關(guān)設(shè)備等部件產(chǎn)生威脅。如變頻部諧波會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)附加發(fā)熱現(xiàn)象，進(jìn)而使電機(jī)因額外升溫而出現(xiàn)故障；變頻部諧波會導(dǎo)致電力電容過載，進(jìn)而導(dǎo)致電容器被損壞；變頻部諧波會使開關(guān)設(shè)備在工作時，產(chǎn)生較高的瞬時電流，導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣層被擊穿。

3 降低諧波出現(xiàn)概率的具體方法

3.1 降低非線性設(shè)備諧波含量

在諧波治理過程中，從整體上看，諧波電流與諧波次數(shù)之間大多呈反比例關(guān)系，盡管增加整流器的脈沖數(shù)與諧波次數(shù)之間存在正比例關(guān)系，但脈沖數(shù)與諧波源產(chǎn)生的諧波電流之間存在反比例關(guān)系，因此為了實現(xiàn)非線性設(shè)備諧波含量的有效降低，適度增加整流裝置的輸出脈沖成為一項極為必要的工作。同時，在直流調(diào)速設(shè)備中合理應(yīng)用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，那么變流器的諧波將會有小幅值、高頻率的特點，因此在諧波治理過程中，可以通過合理應(yīng)用脈沖調(diào)制技術(shù)的方式，在控制基波幅值的基礎(chǔ)上，對低次諧波進(jìn)行有效的抑制。

3.2 諧波源處吸收諧波

首先，作為應(yīng)用R、L、C元件組成的諧振電路，將無源濾波器安裝在電氣設(shè)備的交流側(cè)，可以通過LC串聯(lián)并聯(lián)諧振特點，在電路中產(chǎn)生低阻抗的諧波通路，實現(xiàn)諧波的有效抑制。需要注意的是，這種方法在應(yīng)用過程中對系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，并且可能會放大系統(tǒng)工作中某次諧波的缺點。其次，若以電子振蕩電路為基礎(chǔ)，將與諧波大小相等、方向相反的電流注入電網(wǎng)系統(tǒng)中，那么電網(wǎng)中的諧波則可以通過相互抵消的方式，消除電網(wǎng)中的所有諧波。在實際應(yīng)用過程中，這種諧波處理技術(shù)不會受到系統(tǒng)參數(shù)的影響，有著易于控制、響應(yīng)速度快、可以實現(xiàn)多次諧波補(bǔ)償抑制等優(yōu)點。再次，考慮到諧波源產(chǎn)生的諧波會使電網(wǎng)系統(tǒng)在供電過程中導(dǎo)致電壓出現(xiàn)不平衡的現(xiàn)象，降低電流供應(yīng)的質(zhì)量，現(xiàn)階段為切實解決上述問題，可以通過將靜止無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用到電網(wǎng)系統(tǒng)中的方式，補(bǔ)償供電電壓，穩(wěn)定電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓體系。同時，在靜止型動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的實際使用過程中，若將裝置與無源濾波器并聯(lián)到電網(wǎng)系統(tǒng)上，那么既可以滿足電網(wǎng)對于無功補(bǔ)償?shù)男枰?，改善功率因?shù)，還能消除高次諧波對電力供應(yīng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，為電力穩(wěn)定供應(yīng)提供有效的支持。

3.3 應(yīng)用電氣諧波故障診斷系統(tǒng)

3.3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

某款電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)的硬件部分主要由主控電路模塊、電壓采集模塊、波形轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、同步鎖相倍頻模塊、液晶顯示模塊這幾部分組成。具體來說，該款電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)中主控電路模塊的核心為P89V51RD2微處理器，該芯片中包含64KB的程序存儲器與1024字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲單元，在實際應(yīng)用過程中，可以滿足程序軟件的編寫要求。

電壓采樣模塊的核心元件為CVT電容性電壓互感器，這是一種內(nèi)部由鐵芯與原、副繞組共同組成的電磁式電壓互感器，在實際應(yīng)用過程中，這款互感器工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，并且不會因鐵芯飽和產(chǎn)生明顯的鐵磁諧振，將其應(yīng)用到電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)中，可以有效避免因設(shè)備本身產(chǎn)生的諧波，對電壓采樣諧波造成的干擾。波形轉(zhuǎn)換模塊在應(yīng)用過程中可以將電力中的正弦波轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行倍頻處理的脈沖波，從而為較小信號的準(zhǔn)確測定提供有效的支持。

A/D轉(zhuǎn)換模塊核心元件為單片高速12位的逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器內(nèi)部設(shè)置了雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，在應(yīng)用過程中有著功耗低、精度高等優(yōu)點。同時，由于這一轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部還設(shè)有時鐘脈沖源與基準(zhǔn)電壓源，因此在使用過程中能夠提升模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的精度，在將這一轉(zhuǎn)換器與單片機(jī)相連接時，可以實現(xiàn)波動較大信號的有效轉(zhuǎn)換。同步鎖相倍頻模塊核心芯片為CD4060，這一芯片主要由振蕩器與14位二進(jìn)制串行計數(shù)器共同組成，在實際應(yīng)用過程中，有著電壓范圍寬、輸入阻抗高等優(yōu)點。液晶顯示模塊核心元件為LCD1602液晶顯示屏，在實際應(yīng)用過程中，這款顯示屏最多可以顯示32個字符，并且有著功耗小、顯示內(nèi)容豐富、較為輕薄等特點，將其應(yīng)用到電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)測試效果的直觀顯示。

圖1為該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，在實際應(yīng)用過程中，電壓互感電路是一種能夠?qū)㈦姎庠O(shè)備中的交流電壓轉(zhuǎn)化為電壓信號的重要信息采集模塊，考慮到在實際采集過程中，電壓頻率可能存在一定的差別，進(jìn)而給后續(xù)信號采集工作的準(zhǔn)確性造成不利影響，可以通過將采集到的電壓信號傳輸至鎖相環(huán)倍頻電路中，將信號放大32倍，降低信號測試分析的難度。在信號放大工作完成后，可以將信號傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當(dāng)中，使不易被分辨的模擬信號，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，便于單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效分辨，最后通過鍵盤控制的方式，保證測得的數(shù)據(jù)可以被顯示在液晶顯示屏上，便于人們的讀取。

圖1 電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

3.3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

考慮到在當(dāng)前電氣設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，超過響應(yīng)范圍諧波的存在對設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)會產(chǎn)生不利影響，因此對諧波的大小進(jìn)行評估是開展諧波處理工作的重要基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，采用非干預(yù)式預(yù)估法實現(xiàn)的電氣設(shè)備諧波評估，這一方法的應(yīng)用并不會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生明顯的影響，并且通過系統(tǒng)本身的諧波源、可測定的數(shù)據(jù)參數(shù)等信息，可以實現(xiàn)系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗的準(zhǔn)確預(yù)估。

如圖2所示，在測定過程中，PCC為測量點，通過對測量點電壓進(jìn)行測定的方式，了解系統(tǒng)側(cè)與用戶側(cè)諧波矢量疊加的諧波電壓與電流。然后在后續(xù)計算過程中，可以以某一時段內(nèi)PCC點處諧波電流改變的情況為基礎(chǔ)，計算諧波阻抗。通過對計算結(jié)果進(jìn)行分析可以了解到，電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)的合理應(yīng)用可以實現(xiàn)電路諧波發(fā)射水平的有效評估，并且這一技術(shù)方法在應(yīng)用過程中對系統(tǒng)負(fù)荷工作情況并不會產(chǎn)生干擾，因此這一系統(tǒng)有著較高的應(yīng)用價值。

圖2 系統(tǒng)側(cè)與用戶側(cè)的等值電路

4 結(jié)論

在風(fēng)電、光電等大量非線性電壓電流的應(yīng)用過程中，電力設(shè)備遭到諧波干擾的可能性大幅度上升，現(xiàn)階段為切實降低這種干擾對電力供應(yīng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響，在明確諧波產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電氣設(shè)備諧波故障診斷系統(tǒng)對諧波產(chǎn)生情況進(jìn)行實時監(jiān)控，然后在保證供電安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)用合適的諧波抵消處理技術(shù)消除諧波，成為一項切實降低諧波對電氣設(shè)備運(yùn)行影響的舉措。