消諧裝置

消諧裝置諧波的產(chǎn)生

諧波主要是由于大容量整流或換流設(shè)備以及其它非線性負(fù)荷，導(dǎo)致電流波形畸變?cè)斐傻?。?duì)這些畸形的變交流量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數(shù)倍的諧波分量。

消諧裝置諧波的危害

影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電器，感應(yīng)式繼電器或新式微機(jī)保護(hù)進(jìn)行檢測(cè)保護(hù)，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，微機(jī)保護(hù)由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導(dǎo)致誤動(dòng)或拒動(dòng)，這樣諧波嚴(yán)重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。

影響電網(wǎng)的質(zhì)量：高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗，浪費(fèi)電網(wǎng)容量。

影響供電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備：供電系統(tǒng)變電站均有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，當(dāng)諧波注入電網(wǎng)時(shí)容易造成高壓電容過電流和過負(fù)荷，使電容異常發(fā)熱；另外諧波的存在還會(huì)加快電容器絕緣介質(zhì)的老化，縮短電容的使用壽命。

影響電力變壓器的使用：諧波的存在會(huì)使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會(huì)造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。

影響用電設(shè)備：諧波的存在會(huì)造成異步電機(jī)電動(dòng)機(jī)效率下降，噪聲增大；使低壓開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作；對(duì)工業(yè)企業(yè)自動(dòng)化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性。

1.2.3治理諧波及補(bǔ)償無(wú)功功率的重要性

采用專門的濾波裝置能夠有效的濾除高次諧波，同時(shí)向電網(wǎng)提供容性無(wú)功功率，其重要性主要表現(xiàn)在以下方面：

濾除高次諧波能夠定化用電環(huán)境，降低視在功率，減少諧波電流在用電設(shè)備和輸配電設(shè)備中的發(fā)熱，直接節(jié)省有功功率；消除由于諧波產(chǎn)生的震動(dòng)，延長(zhǎng)電器的使用壽命；有效的消除對(duì)敏感元件的影響。

由于濾波回路是由電抗器和電容器串聯(lián)形成的，所以在濾波的過程中能向電網(wǎng)注入容性無(wú)功，提高了功率因數(shù)，這樣就能避免供電部門高額的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，由于無(wú)功電流的抵消，也相當(dāng)于提高了配電設(shè)備的容量，減少了線損。無(wú)功功率補(bǔ)償還能提升末端的電網(wǎng)電壓，對(duì)優(yōu)化用電環(huán)境有很重要的意義。

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，首先應(yīng)滿足各種負(fù)載水平下對(duì)諧波限制的技術(shù)要求，然后在次前提下，使濾波器在經(jīng)濟(jì)上最為合理。除以上經(jīng)濟(jì)分析外，設(shè)計(jì)濾波器還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1）單調(diào)濾波器的諧振頻率會(huì)因電容，電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會(huì)有一定的波動(dòng)，這將導(dǎo)致濾波器失諧。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在正常是諧的情況下濾波裝置仍能滿足各項(xiàng)要求。

2）電網(wǎng)阻抗變化對(duì)濾波裝置尤其是其中的單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響。而更為嚴(yán)重的是，電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分予以考慮。

消諧裝置是專用于低壓電網(wǎng)3次、5次、7次、11次、13次及以上的諧波無(wú)源濾波裝置。適用于中頻冶煉、變頻、軋鋼、整流設(shè)備等的環(huán)境。該裝置采用了電感和電容器組成串聯(lián)諧振吸收回路，有效的將負(fù)載產(chǎn)生的諧波加以吸收，從而避免將諧波電流返送到電力變壓器，大大降低電網(wǎng)的諧波量，同時(shí)有利于用戶電力變壓器的運(yùn)行，降低功耗，提高設(shè)備和其它電器組件的可靠性。此外該設(shè)備還提供一定容量的無(wú)功功率補(bǔ)償，提高用戶負(fù)載的運(yùn)行效率。該裝置分綜合控制柜和電抗柜，視用戶要求不同，配置的濾除諧波次數(shù)也不同。通常一套BCBDL系統(tǒng)可濾除4種諧波。系統(tǒng)的操作可分自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)操作。

1.2.1領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵詞語(yǔ)的基本概念

諧波：（harmonic） 對(duì)周期性交流信號(hào)量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量。我國(guó)供電系統(tǒng)1次諧波的頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。

公共連接點(diǎn)：（PCC）用戶接入電網(wǎng)的連接處。

總諧波畸變率：（THD）周期性交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。

諧波源（harmonic source）：向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備。

感性無(wú)功：電動(dòng)機(jī)，變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場(chǎng)，在一個(gè)周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率叫感性無(wú)功功率。

容性無(wú)功電容器在交流電網(wǎng)中接通時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫容性無(wú)功功率。

功率因數(shù)：有功功率與視在功率的比值稱為功率數(shù)。

功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)：實(shí)行兩部分電價(jià)制度的用電企業(yè)，供電部門根據(jù)用戶平均功率因數(shù)而加收或減免的電費(fèi)，稱為功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)

1.1微機(jī)消諧裝置

微機(jī)消諧裝置也稱二次消諧器,被安裝在TV的開口三角繞組上。正常運(yùn)行或者發(fā)生單相接地故障時(shí)裝置不動(dòng)作,而一旦判斷電網(wǎng)發(fā)生鐵磁諧振時(shí),便會(huì)使正反并聯(lián)在開口三角兩端的2只晶閘管交替過零觸發(fā)導(dǎo)通以限制和阻尼鐵磁諧振,當(dāng)諧振消除后晶閘管自行截止,必要時(shí)可以重復(fù)動(dòng)作。裝置起動(dòng)消諧期間,晶閘管全導(dǎo)通,呈低阻態(tài),電阻為幾m歐至幾十m歐。如此小的電阻值足以阻尼高頻、基頻及分頻3種諧振,而且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)有效,即一個(gè)系統(tǒng)中只需選擇1臺(tái)互感器安裝消諧裝置即可。微機(jī)消諧裝置的主要缺點(diǎn)是難以正確區(qū)分基波諧振和單相接地。目前,對(duì)基波諧振和單相接地故障判據(jù)的主要區(qū)別在于零序電壓U0的高低。通常,基頻諧振定為當(dāng)U0≥150V時(shí);當(dāng)30V≤U0<145V時(shí)定為單相接地故障。為了防止在單相接地時(shí)由于裝置誤動(dòng)使TV長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷而燒毀的情況發(fā)生,通常將該裝置基頻諧振的判據(jù)電壓定得比較高。這樣,在工頻位移電壓不是很高的情況下(如空母線合閘)裝置將無(wú)法動(dòng)作,就可能使某些勵(lì)磁特性欠佳、鐵心易飽和TV的熔絲熔斷。而且這種裝置當(dāng)電網(wǎng)對(duì)地電容較大時(shí),它對(duì)防止間歇性接地或接地消失瞬間互感器因瞬時(shí)飽和涌流而造成熔絲熔斷的事故無(wú)能為力。此外,在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的間歇電弧過電壓激發(fā)下,流過TV高壓繞組的電流將顯著增大,仍可能會(huì)燒壞TV。

由于基頻諧振中的頻率實(shí)際上并不是十分嚴(yán)格的基頻,不是完全沒有頻率突變,因此,能否在信號(hào)處理方法中采用對(duì)時(shí)頻局部化方面極具優(yōu)勢(shì)的小波來(lái)檢測(cè),值得探討。

1.2一次消諧阻尼器

一次消諧阻尼器,如LxQ型阻尼器,實(shí)際上是將一個(gè)非線性消諧電阻R。串接于電壓互感器一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間,它采用中性點(diǎn)阻尼電阻消除諧振。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí),消諧器上電壓<500V。呈高電阻值(可達(dá)幾百k歐),阻尼作用大,使諧振在起始階段不易發(fā)展;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地時(shí),消諧器上電壓較高(10kV電網(wǎng)中其值約1.7一1.8kV),R0呈低值(幾十k歐),可滿足TV開口三角電壓不小于80V的絕緣監(jiān)測(cè)要求,而且仍可阻尼諧振;當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生弧光接地時(shí),R0仍能保持一定的阻值,限制互感器涌流。

該裝置具有消除TV飽和諧振和限制涌流2種功能,但在應(yīng)用中存在局限性:①中性點(diǎn)為半絕緣結(jié)構(gòu),只能直接接地安裝的TV無(wú)法使用;②只能限制本TV不發(fā)生諧振,對(duì)電網(wǎng)中的其他TV無(wú)效(僅一對(duì)一有效;)③當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí), TV零序電壓U0的測(cè)量值有誤差,因此不適宜使用在對(duì)U0幅值和角度精度要求較高的場(chǎng)合(如微機(jī)接地選線裝置);④裝置自身的熱容量有限,即使選用熱容量相對(duì)較大的以LXQ型一次消諧阻尼器,在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的間歇電弧接地過電壓激發(fā)下,仍可損壞裝置。一次消諧阻尼器較適用于JDZJ等型號(hào)中性點(diǎn)全絕緣TV的消諧改造。

1.3消諧型電壓互感器

1.3.1加裝零序電壓互感器型

加裝零序電壓互感器圈的消諧型電壓互感器由三相主電壓互感器TV1和串接在中性點(diǎn)的零序電壓互感器TV0二部分組成,采用零序電壓互感器消除諧振。該消諧裝置要求TV0的開口三角繞組閉合,零序電壓U0從TV0的二次側(cè)取得。當(dāng)單相接地時(shí), TV每相勵(lì)磁感抗為Xm=XTv1 3XTv0(XTv1為TV1的漏抗;凡XTv0為TV0勵(lì)磁感抗)。

由于XTv1很小,可略,故Xm≈3 XTv0,即零序電壓絕大部分降落在TV0上,一般的外激發(fā)不能使TV,進(jìn)人飽和區(qū),從而使諧振難以產(chǎn)生。此外,TV0高壓繞的直流電阻約為10k歐,對(duì)諧振有強(qiáng)烈的阻尼作用,對(duì)涌流有限制作用。此種消諧型TV的消諧作用也僅對(duì)自身有效,熱容量也有限。

1.3.2呈容抗諧振型

呈容抗諧振的消諧型電壓互感器的主要特點(diǎn)有:

①互感器內(nèi)部的分布電容和雜散電容較大,正常時(shí),在接有0~100%負(fù)荷下整體呈容性(結(jié)構(gòu)上合理確定一次繞組徑向與軸向的尺寸比例;采用介電系數(shù)大的絕緣材料作為層間絕緣獷一次繞組采用階梯式排線方式等),不易構(gòu)成鐵磁諧振回路。②在較高的電壓作用下,鐵心不易飽和(采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片,以降低工作磁密)〕③能承受更高的過電壓(增加了一次繞組匝數(shù);加強(qiáng)一次繞組的端部絕緣和層間絕緣)。然而,由于這種TV的質(zhì)量和體積相對(duì)較大,因此在實(shí)際應(yīng)用中往往有一定困難。