电气系统中的电气设备产生的电压或电流波形非理想的正弦波时,即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成分,将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明,任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
谐波是正弦波,每个谐波都具有不同的频率,幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性,第3、5、7次编号的为奇次谐波,而2、4、6、8等为偶次谐波,如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz,3次谐波则是150Hz。
常用设备产生的谐波电流值:
1、电弧炉、电石炉,一般是三相式,应用在冶炼过程中的融化期和精炼期。在融化期,存在较多3次谐波。在精炼期,谐波含量不大,以3次和5次谐波为主。
2、气体放电灯主要产生3次谐波。
3、变频器、软启动器主要用于风机、水泵、电梯。在变频器电路中不含3次及3的整数倍谐波分量,亦无偶次谐波。主要产生5次、7次谐波。
4、整流器主要用于电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源,是最大谐波源。三相桥式整流特征谐波次数:hc=6k±1;单相桥式整流特征谐波次数:hc=2k±1。直流充电桩较多采用三相全波整流,整流电路脉动次数6,其特征谐波hc=6k±1,5、7、11、13、17、19,谐波次数越低,其谐波幅值越大,谐波幅值与谐波次数成反比,主要谐波含量为5、7次谐波。
5、电力系统谐波源产生的谐波一般为七次谐波,且5、7次谐波所占的比重大,3次谐波含量一般情况下不是很大。三次谐波电流主要是由单相非线性负载(如荧光灯,节能灯及镇流器等)产生的。因其频率的特殊性,三次谐波在电网中性线上产生的后果尤为严重。在三相电网中,基波各相的相位差为120°;而三次谐波相位差为360°,也就是同相位。各相线内的三次谐波电流在中性线上汇集时,其瞬时值是直接同相相加的,故中性线上的三次谐波电流一般为约为3倍的相线上的三次谐波电流,甚至会大于相线上的基波电流。
谐波对电气设备的正常工作有不利影响,因此,研究谐波的危害与抑制方法,对保证电网的电力质量十分必要。
谐波的危害主要有:
1、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
2、谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗
外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。
3、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,
这就使上述(1)和(2)的危害大大增加,甚至引起严重事故。
4、所有接于电网中的设备的损耗都会增加,温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重,甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。
5、电机内负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。
6、继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。
谐波的抑制:
为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题,基本思路有两条:一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波,这对各种谐波源都是适用的;另一条是对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1,这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡,可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电,减少谐波对其它负荷的影响,也有助于集中抑制和消除高次谐波。
装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单,一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不甚理想。