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电力系统谐波,背景资料: 1)京广线电气化出现的谐波问题 2)成昆铁路(凉山段)电气化出现的电能质量问题 3)浙赣线电气化工作的准备 4)高耗能用户(矿石炉、中频炉等) 5）各种整流装置、变频装置的谐波问题 6)设备发热问题 7)换流站谐波不稳定问题电力系统谐波 （第五章 谐波的产生）,1、电能质量分类,2、电压质量问题,电压幅值问题：电压偏差、 三相电压不平衡 电压波形问题：谐波 电压波形与闪变 电压幅值与波形： 电压暂降（电压凹陷） 电压上升 暂时过电压与瞬态过电压,一节 谐波产生,2、基本原因：电力（电气）设备中电压和电流的 非线性问题,U—I 线性关系：正弦电压得到正弦电流,一节 谐波产生,基本原因：电力（电气）设备中电压和电流的 非线性问题,U—I 非线性关系： 正弦电压得到非正弦电流,,,一节 谐波产生,电弧炉: 电压与电流的非线性关系导致波形畸变一节 谐波产生,整流装置(单相全控节电照明)： 电压与电流的非线性导致波形畸变一节 谐波产生,用一组正弦波叠加来近似表示方波,一节 谐波产生,国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍因此谐波次数必须为整数。

暂态问题通常不归为谐波一节 谐波产生,3、应当指出，实际上的畸变波形所含各次谐波分量的幅值，是时变的、不规则的，而且还可能是随机变化的国际大电网会议工作组建议，在测量和计算各次谐波时，应当给出它在3秒内平均的方均根值这样，便可以对暂态现象和谐波加以区别例如对于第h次谐波，设在第k次谐波分析时所得到的第h次谐波的方均根值为，若在3秒内取得m个数据，则在3秒内第h次谐波平均的方均根值应为,,一节 谐波产生,对应定义 h次谐波电压含有率 h次谐波电流含有率 谐波电压总畸变率 谐波电流总畸变率,,二节 谐波的危害,谐波的危害主要通过谐波环境下的热效应、谐波畸变后的过电压以及信号干扰表现出来: （1）谐振放大引起的过电压过电流引起设备故障或损坏； （2）旋转电机、变压器、电缆附加谐波损耗发热、引起故障甚至损坏； （3）电容器因谐波电流过载、谐波过电压击穿、谐波下的介质损耗增加而发热缩短寿命； （4）对继电保护、自动装置、测量设备和通信电路的干扰问题二节 谐波的危害,一、谐振下的谐波放大,,,,二节 谐波的危害,谐振下的谐波放大的危害 (1)电容器发热、鼓泡、击穿; (2)串联电抗器发热击穿; (3)变压器发出怪叫; (4)发电机振动、发热； (5)电缆发热、烧毁。

二节 谐波的危害,二、旋转电机 同步电机以工频同步转速转动，h次谐波形成h倍同步转速的旋转磁场，这就形成电磁扭矩，从而引起振动 谐波在电机定子绕组、转子回路及定子与转子的铁芯中产生附加损耗这是由频率升高、趋肤效应、磁滞及涡流等所引起的损耗增加 三相不对称谐波产生脉动磁场，如果发电机的自然振荡频率接近上述频率之一，将会发生超同步谐振，使汽轮发电机组轴系、旋转元件和叶片扭转振荡和 弯曲 谐波引起旋转电机的振动并发出噪声，常期振动会使金属 疲劳和机械损坏二节 谐波的危害,同步电机允许的负序电流 国标（GB755-81）规定（≤125MVA）允许的负序电流 ≤ 12.5% 基波电流 现象: THDI10%将显著发热， 20%可能损坏 异步电机允许的负序电压（一般≤ 2%，最大≤ 4%）,,二节 谐波的危害,三、谐波对变速电机及变频驱动装置的影响 6脉动整流供电，谐波发热显著；12脉动整流供电， 谐波发热较小； 变频装置采用PWM技术，低频输出时谐波发热影响较小，高频输出时谐波发热影响较大； 谐波对变频装置影响为畸变电压和电压尖刺，前者干扰控制系统产生误动，后者击穿装置中的微电子器件二节 谐波的危害,四、变压器 （1）负载损耗增加； （2）磁滞和涡流损耗增加； （3）变压器的电感和无功补偿电容器之间可能产生谐振问题； (4)谐波畸变使变压器承受的过电压。

二节 谐波的危害,五、电力电缆与输电线路 （1）电力电缆与输电线路的对地电容与本身电感能构成谐振电路引起谐波过电压； （2）而受谐波侵入后的电缆头和本体损坏增多； （3）铜、铝材料的电化学作用 （4）附加损耗增加,二节 谐波的危害,六、电容器 （1）电容器由于谐波电流而过载； （2）谐波增加电容器介质损耗，使电容器额外发热、运行寿命缩短 ； （3）电容器和系统中的电感产生的谐振使电容器过电压和过电流； （4）电容器所串电抗器的选择问题 三次谐波：串12%电抗器； 五次谐波：串6%电抗器，但对三次谐波不利； 七次谐波：串3%电抗器，但对五次谐波不利二节 谐波的危害,七、谐波功率损失 （1）谐波增加网损； （2）谐波对旋转电机不产生有效功率转换，而是增大其附加损耗和附加温升，结果成为有功损耗；谐波产生的脉动转矩使电机振动，缩短了电机寿命二节 谐波的危害,谐波电压、电流和谐波功率的关系 谐波电流在公共联接点处的系统短路电抗（Scc=100MVA）上形成谐波压降：,二节 谐波的危害,8、谐波引发系统事故实例 （1）某电厂200MW发电机跳闸事故 事故前运行方式: 256、201打开； G2通过255向远区 供电；通过251向 电铁供电,二节 谐波的危害,（2）某电厂200MW发电机跳闸事故原因 直接原因：电铁谐波和等效负序电流造成保护动作； 间接原因：1号机组检修和256号断路器断开，新的运行方式造成220kV母线短路容量减小、2号机组流过的等效负序电流增加。

二节 谐波的危害,（2）某电网200kV线路跳闸，地区大面积停电事故 事故前运行方式： A、B、C由主系统供电， 220kV二回线停电检修 事故起因：三个电铁 牵引站谐波和等效负序 由110kV进入系统，进 入220kVABI回线，干扰 该线路ZCG-1A型相差高 频保护正常运行，使对 应BI跳闸二节 谐波的危害,九、保护装置和自动装置 受到谐波严重影响的条件 （1）靠近谐波源 （2）谐波放大 （3）装置的敏感性 （4）整定值小 （5）等效负序问题 （6）谐波的电化学作用 （7）系统短路容量太小,二节 谐波的危害,电力系统的谐波源 1、谐波产生与谐波源,二节 谐波的危害,电力系统的谐波源 1、谐波产生与谐波源 横坐标为电压方向(左图为基波,右图为3次谐波),散点为电流相对电压的变化.,电力系统的谐波源,2、典型谐波源 铁芯设备 ---- 铁磁饱和型 交直流换流设备(整流、变频电源、变频调速） ---- 电力电子装置 电气化铁路谐波 ---- 电力电子装置 家用电器 ---- 电力电子装置 电弧炉(电石炉) ---- 电弧型,电力系统的谐波源,铁芯设备 ---- 铁磁保和型 空载励磁电流形成镜对称尖顶波，含奇次谐波； 谐波电流大小与铁磁材料饱和性有关； 谐波电流大小与运行电压有关。

电力系统的谐波源,交直流换流设备 单相全波整流,,,电力系统的谐波源,单相全波整流谐波特点： 理想情况（正负半周对称） 特征谐波—奇次谐波,,,电力系统的谐波源,三相全波整流,,,,,电力系统的谐波源,三相全波整流谐波特点： 理想情况（正负半周对称、三相对称） 特征谐波 12脉动整流器特征谐波,,,电力系统的谐波源,电气化铁路谐波 电铁供电系统 牵引变(常用Y,d11与V,v接线) 吸流或自耦供电方式,,,,电力系统的谐波源,,,,,,机车工作方式和谐波特征 单相全波不控整流、级差调压 韶山-1（SS-1）：6×700kW/1500V 桥式不控整流、级间可控平滑调压调压 韶山-3（SS-3）：6×800kW/1550V 桥式不控整流、级间可控平滑调压调压 韶山-4（SS-4）：8×800kW/1020V,电力系统的谐波源,,,,,韶山-1型谐波特征 奇次谐波: 3，5，7，… 某20WVA牵引变电所 110kV谐波特征,,电力系统的谐波源,,,,,,家用电器谐波 电视机：谐波电流含有率THDI80%; 照明灯 ---荧光灯，以高功率因数（ THDI 35%）、电子脉冲式(THDI 135%)最高； ---高压气体放电灯， THDI 35%； ---调光灯， THDI 35%； 空调机， THDI 20%； 电冰箱， THDI 10%；洗衣机， THDI 16%,,电力系统的谐波源,,,,,,电弧炉 谐波特征： 所有谐波频次， 含间谐波 电弧炉谐波含有率(日统计值95%,10MW),,,。