康乐电工培训学校,消除高次谐波对电网的影响

文章前言：

文章内容： 中国电工网讯：1　前言　　随着现代化建设的迅猛发展，特别是钢铁、电气化铁路等所用的直流设备，三相对称的交流系统经过可控硅整流设备整流后，就会产生高次谐波，增加谐波损耗，降低功率因数。对电力网有很大的危害，它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电度表及其它微机装置。在一个用户变电站安装并联电容器来提高功率因数，同时安装交流滤波装置可以消除高次谐波。本文主要就消除高次谐波，合理的选择交流滤波器进行理论计算和讨论。
2　高次谐波的产生　　可控硅整流设备、整流装置及电弧炉是产生高次谐波电流的主要来源。下面是一个变电站没有安装交流滤波装置前实测的高次谐波电流值：I5＝54A
3　单调谐滤波器运行动态分析　　不考虑电力系统电阻分量的滤波器典型电路图分析：
　　 In：用电设备产生的n次谐波电流（电流源）（A）；
Inx：流入电力系统的n次谐波电流（A）；
InL：流入滤波器的n次谐波电流（A）；
　　 jωL：电力系统谐波电抗，其值决定于该点三相短路容量，并正比于谐波次数（Ω）；
jωL1：滤波器回路中电抗器的谐波电抗（Ω）；1／jωC：滤波器回路中电容器的谐波电抗（Ω）；
　　 R：滤波器回路之电阻，其值大小影响滤波器的品质因数q＝ωL1／R，它是滤波回路连线电阻及人为串入的电阻之和。R值增大，品质因数q降低，回路有功损耗变大，但有利于滤波器的安全运行。工程设计中应该设法不串入电阻，利用滤波器本身电阻的大小来改变品质因数的好坏，这样可以使滤波器的接线简单并有较好的滤波效果。

3．1　电压谐振 如图1回路阻抗为：　
　
式中：ω—谐振角频率；
n—谐波次数
　　 当Zn的虚部为零时，产生串联谐振。此时滤波器工作在理想状态，设计滤波器以此为基础，考虑安全运行加以调整滤波器参数。
3．2　电流谐振 如图2，回路阻抗为：

当Zn的虚部为零时，产生并联谐振，此时Zn为纯电阻性，而且其值为较大，作为工程计算可以按Zn较大时产生电流谐振计算谐振频率。

　　 由上述计算得出并联谐振角频率和回路参数的关系式，当R＝0时，ω＝1/较大，谐振电压较大，则谐波电流被放大，滤波器失调；当R变大时。W变小，损耗也随之变大，滤波效果不好；当R为无穷大时，相当未投入滤波器，谐波电流全部流入系统。因此，靠改变R值的大小设计的滤波器不是理想的滤波器。下面一组曲线可以说明。
　　 由于电力系统频率的变化、环境温度的变化等因数，滤波器的谐振频率也随之变化。当选择的品质因数较大时，就很容易发生并联谐振。为了提高滤波效果，避免发生并联谐振，减少基波和谐波损耗，我们设计为全偏移谐振滤波器，就是人为的把电压谐振点选择在－δM处。

4　全偏移滤波器的设计
4．1　等值频率偏移　
其中：电网频率变化产生的偏移：δf＝Δf／f，Δf－电网频率偏移，f＝50Hz
环境温度变化引起电容器电容量变化产生的偏移：
δc=aΔt/2
a—为电容器温度系数；

的电抗量标么值；
.测量误差δm＝±0．002～±0．005
4．2　计算C、L及RLn　RCn值 ·计算品质因数： ，其中ø为电力系统谐波阻抗角，一般φ＝85°。
　　 ·电容器承受的基波电压：

　　 XC—电容器的基波容抗；UCN—电容器的额定电压；λ—峰值谐波过电压系数；In—n次谐波电流；Kfn—n次谐波放大系数；n—谐波次数。

　　 ·电抗器的电抗为：L＝XL／2πf（6）
4．3　滤波电容器的校验　　
Kfn—谐波放大系数，按极限值考虑Kfn＝1
5 设计实例 唐山地区一座110KV用户变电站，是使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后，主要是5次谐波。其参数
5次谐波电流为I5=54A，10KV母线路容量为
按电网低频减载保护动作值为49．5Hz计算。　 文献CH(结束)←-->

按式（1）求出UC＝6315V
按式（2）求出XC＝110．08Ω
　　 选择7．2kV，100kvar的单台电容器，X′C＝7．22／0．1＝518．4Ω。电容器并联的台数，p＝518．4／110．08＝4．71台，取p＝5台。则XC＝7．22／5×0．1＝103．68Ω，5次谐波阻抗为：X5＝103．68／5＝20．74Ω。

按式(6)求出:

　　 电抗器的谐波电阻为：取qLn＝60，RLn＝X5／qLn＝20．74／60＝0．346Ω。电容器的谐波电阻为：Rcn＝X5tanθ＝20．74×0．0008＝0．017Ω，Rfn＝0．346＋0．017＝0．3626Ω，实际的品质因数为：q＝20．74／0．3626＝57．2，接近要求值。

6　现场实测　　用仪器对该变电站进行实测的结果：接入滤波器前的波型如图5，接入滤波器后的波型如图6所示。而且，该站110kV进线的功率因数由原来的0．4左右提高到0．95以上。

7　结论　　对于使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后产生的高次谐波，其主要为5次谐波。按上述设计的滤波器装置可以很好的滤掉高次谐波。提高功率因数，降低无功损耗。而设计滤波器的关键是选择合理的RLn值。

延伸阅读：

(整理：电工培训学校)