谐波电流范文
时间：2023-04-02 20:57:03
导语：如何才能写好一篇谐波电流，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
随着电力电子技术的不断发展。越来越多的大容量可控硅整流设备、各种变流器和变频器在工业生产中被广泛应用。这些非线性负载一方面向电网注入谐波电流。另一方面又是工厂供电系统中的终端用户。因此。可有效地就地抑制谐波电流，以减小其对整个电力系统造成的危害，具有十分重要的意义。
1 谐波定义
供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解。除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn／f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。
2 谐波源
向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源。例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备。例如晶闸管电路供电的直流提升机、交一交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关。故可视为恒流源。
各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形成有关，称为电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：
n=kp±1 k=1、2、3…(正整数)
式中p为一个电网周期内脉冲触发次数(或称脉动次数)。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如5，7，11，13次等。
当电网接有多个谐波源时。由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同。其和将小于各分量的算术和。
变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法。为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量(最多可达20％)进入电网。
3 谐波限值
为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境
我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值。
电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示：
HRVn=(Un/U1)100％
HRIn=(In/11)100％式中Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；
U1、I1为基波电压、电流有效值。
4 谐波危害
谐波增加电气设备的热损耗。干扰其功能甚至引发故障。另外谐波可对信息系统产生频率藕合干扰。
1)电动机
谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流I―起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5％－10％。
如果电动机不是按额定功率连续运行，可以允许短时超出上述限值。
2)电容器
谐波可使电容器过流发热。
有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流(Ie=1CUn)。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。
3)电子装置
谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产和不良影响。
4)通讯系统
在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。
在工厂供电系统中，一般设置无源滤波器来抑制谐波电流，由于滤波器中的电容器组成本较高。而且转折频率确定较为粗糙。因此滤波效果并不十分理想。电力有源滤波器作为一种用于动态抑制谐波电流和补偿无功功率的新型电力电子装置，它可以对大小、频率都在变化的谐波电流和变化的无功功率进行补偿。因此，有源滤波器具有良好的滤波效果。
篇2
关键词：谐波；节能
中图分类号：TU2 文献标识码：A
现代工矿企业中，由380V交流变频器启动的泵类及风机类等感应电动机调速方式已得到广泛应用，由于其生产所需物料流量和电机转数n成正比，且电机轴功率又与n3成正比。因此通过调节电机转数不仅可快捷方便地调节生产物料流量，而且节能效果十分可观。
但是，由于目前低压交流变频器基本采用三相桥式整流——逆变方式，对所供电的变
压器来说，它实际上就是个六脉波整流的，以产生5次7次等谐波为主的谐波发生源，尽管
变频器本体要求有谐波治理功能，但随着制造厂家和变频器接入总容量的不同，这一谐波源
注入的谐波量也不同。根据国标GB/T14549—1993规范规定，电压为380V供电系统内注入
公共点的谐波电流允许值如下：
基准容量Sj=10MVA时380V电网各次谐波电流允许值（表一）
谐波次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 17
允许电流Igh(A) 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 11 12 18
如果注入的谐波电流超出上述允许值，将对连接于同一配电系统内的用电设备造成严重不良影响。
以某商场变电所为例：变电所内一台10/0.4KV，容量为2000KVA变压器，同时供电给15台总容量约1200KW的380V变频器调速循环水泵，尽管均在额定负载下正常运行，但变压器和电动机却温升异常高，特别是功率因数补偿用用电容器柜，不仅过热，甚至无法投入运行。经现场实测，发现5及7次以上谐波电流超标1至2倍，后经谐波治理，才消除上述异常现象。
综上所述，对电气工程设计而言，能够通过计算，预先判定车间变压器接入多大容量的变频器才不致使注入的谐波电流超标？一旦超标又怎样在补偿功率因数的同时进行谐波治理？而不是在生产时出现问题后才补救！
本文提出的计算方法，经工程实例验证，在回答上述问题方面作为判据应用是可行的（并不是精确的谐波计算），具体内容如下：
1、三项系统中应计算的各次谐波
三相系统中由于共对称性，偶次谐波被抵消而不存在，3及3的倍数谐波所构成的零序谐波在线电压中不存在；只有3k+1次构成的正序谐波7、13、19……次和3k-1构成的5、11、17……次负序谐波，为方便应用，只对三相变频器注入的5、7、11、13、17次谐波电流进行估算，亦满足工程要求。
2、按照国标GB/T14549—1993的规定值（表一）折算变压器谐波电流允许值
现以实例说明:有一台10/0.4KV，容量S=1600KVA，短路阻抗Δu%=6%的变压器，已有其它380V负荷470KW，自然功率因数0.78，另外供电给变频器调速电机总容量680KW，要求
将变压器0.4KV侧提高到0.9以上，并判别谐波电流是否超标和采取治理措施。
（1）供电系统图：
（2）1600KVA变压器的谐波电流允许值：
变压器最大短路容量Sk=S/Δu%=1600/0.06=26.7MVA
各次谐波电流允许值按下式折算
Ib·h=Sk·IG·h/Sj
式中Sj——表（一）基准容量10MVA
IG·h——表（一）各次谐波电流允许值
按上式折算结果如下：
1600KVA 0.38KV侧谐波电流允许值表（二）
谐波次数 5 7 11 13 17
电流允许值Ib·h（A） 165.54 117.48 74.76 64.08 48.06
注：为简化计算，只取5~17次谐波即可
（3）变压器谐波电流允许值的总有效值：
Ib·e=
=
=161A
3、计算实际接入的变频器总谐波电流有效值
（1）变频器总接入容量PF=680KW
总有效电流IF=PF/U=680/x0.38=1033A
则总基波电流IFj=IF/1.05=1033/1.05=984A
（注：在三相六脉波整流电路中，可近似取有效电流等于1.05倍基波电流值）
由上诉基波电流值可推算出5、7、11……次谐波电流值，见表（三）
总功率为680KW的变频器各次谐波电流值表（三）
谐波次数 5 7 11 13 17
电流允许值Ib·h（A） 196.8 140.6 89.5 75.7 57.9
（2）计算实际接入的变频器总谐波电流有效值：
IF·e=
=275A
4、判定结果和对策
（1）判定结果：
根据上述计算，1600KVA变压器允许输入的谐波电流有效值为161A,而接入系统的变频器产生的总谐波电流有效值为275A，超出114A，判定结果为谐波电力超标。
（2）对策：
按照实例要求，用电负荷功率因数应提高到0.9以上，并对超标谐波电流进行治理。
鉴于技术和经济综合考量，用电负荷中的纯无功功率可采用移相电容器作为动态补偿：
例题中P=470KW,COSφ=0.78。目标值取COSφM=0.92
则补偿的电容器无功功率 Qc=470（tgφ-tgφm）
=470（0.8-0.426）
=176kvar
而由变频器谐波电流有效值产生的这种畸变功率则可用技术上比较成熟的静止无功发生器（SVG）治理，但由于其价格昂贵，所以只对超标部分谐波畸变功率补偿即可：
超标部分电流：
I=IFe-Ib·e
=275A-161A
=114A（忽略IFe和Ib·e的相位差）
则静止无功发生器（SVG）容量为
QSVG=UI
= x 0.38KV X 114A
=75KVAR
这样针对不同补偿对象采用不同解决方案，既稳妥可靠，又经济实用。
5、结尾语
上述计算方法仅为电气工程设计中就接入变压器的低压变频器总量是否会造成谐波电流超标，提供一种判定手段，以利于对谐波污染程度的进一步研究和解决。
参考文献：
篇3
关键词 地铁,信号系统,电磁干扰,谐波,不平衡电流
车辆的电力牵引系统多采用轨道作为其回流线,与轨道电路利用同一对钢轨传输电能和信息。尽管从系统设计、工程技术(回流线、平衡棒、迷流网、轨旁选频)等环节做了许多防范,然而,直流电力牵引对轨道电路信息是否具有干扰以及干扰机制尚无定论。上海轨道 交通 1、2、3号线均采用直流电力牵引方式,与我国电气化铁路的交流电力牵引有很大的不同。直流电力牵引对地铁信号系统的电磁干扰 研究 作为一个新的课题,值得研究探讨。 1 牵引供电方式 上海轨道交通的直流1500v牵引供电系统采用“浮空”供电方式(即正、负极均不接地)。图1为地铁牵引供电系统示意图。其中,牵引变电所正极接触网(图中线1)车辆负载(图中线2)轮对轨条回流线(图中线3)牵引变电所负极(图中线4),构成供电系统主回流。另外,由于钢轨直接敷设在整体道床中(整体道床中预制钢筋组成排流网),钢轨对地并非完全绝缘而形成迷流(图中线5),经迷流收集网和二极管回流到牵引变电所的负极,以减缓洞体和道床中钢结构骨架的电化腐蚀。 目前 上海轨道交通牵引供电方式有两种:①直接用高压三相电网电压,由牵引变电所6相牵引变压器变压,经全波整流形成相对平滑、12脉波的1500v直流电压;②由前、后各相移7.5°的2组6相牵引变压器,并联成12相电压,再经全波整流形成具有24脉波的1500v牵引电压,给牵引接触网供电。以后一种方式为例,12相全波整流24脉波的1500v“直流”电压,经 计算 其理想波形的脉动系数仅为50/1500≈3.3%。应该说,它对信息传输系统的影响很小。因此,研究电力牵引对轨道电路传输系统的影响,切入点应该是在列车运行期间,由于电源波动、整流件换向、大负载变化、列车起动或制动、供电臂切换、车辆逆变[2]等产生的谐波的影响以及不平衡电流的影响。 2 牵引电流的谐波对信号系统的影响 通过在线动态监测,当全线仅一列试验车运行时,牵引电压、电流随列车运行状态而有明显变化。实际监测结果如图2所示。
从该图中可以看出: 接触网1500v“直流”电压波动范围为1400~1800v,且时有突变; 列车制动时逆变反馈电压增幅近100v; 接触网直流电流波动范围为0~1400a,与列车运行关系密切。减速滑行不耗能,且时有逆变反馈电压; 接触网交流电流波动,峰峰值近100a,其谐波能量应予以特别关注。 测试结果说明,接触网电压、电流随列车状态而有明显变化。它们产生的相对高能谐波成分可能会随机地介入到地铁信号传输系统的频带内。 3 牵引电流不平衡对信号系统的 影响 两侧轨道阻抗的不平衡会造成牵引电流在两轨条上流过不相等的电流值,从而在轨间形成不平衡电压差δv=v左轨条-v右轨条。该电压差和轨道电路信号叠加,其谐波极有可能干扰轨道电路信号的正常传输。 3.1 牵引电流不平衡系数 牵引电流不平衡示意图如图3所示。
牵引电流不平衡系数[3] 式中:is1为第一根钢轨中的牵引回流电流;is2为第二根钢轨中的牵引回流电流。 3.2 牵引电流不平衡对轨道电路影响测试 在现场按图4所示对牵引电流不平衡进行了测试。i棒的中心是牵引电流回流点,选取a、b两点,来比较两条钢轨上的牵引电流。测试的电流波形如图5所示。
根据前面 分析 ,在直流电力牵引方式下,牵引电流的直流部分不会对信号造成干扰,所以只分析牵引电流的交流部分的不平衡系数。 由非正弦信号有效值的定义式: 式中:t为周期;i为周期电流;u为周期电压;i0~in为各次电流谐波分量;u0~un为各次谐波电压分量。
篇4
【关键词】电动汽车；交流充电桩；EMI滤波器
基于国家的新能源产业政策和国网公司关于大力推进电动汽车充电站建设的工作思路，充分调研充电站设备的市场现状，按照充电站功能设置，主要分为四个功能子模块，分别为：配电系统、充电系统、电池调度系统、充电站监控系统。根据模块做好电动汽车充电设备的研发和 监控工作。主要生产的充电站设备包括高、低压配电柜、滤波无功补偿装置、电能监控设备、计量计费设备、发电上网设备、电池自动化更换工具、整车充电机、模块电池以及监控系统的大中型充电站、电池更换站中使用设备，还包括公共场所和家庭使用的充电桩。
1 交流充电桩简介
交流充电桩，又称交流供电装置，是指固定在地面或墙壁，安装于公共建筑（办公楼宇、商场、公共停车场等）和居民小区停车场或充电站内，采用传到方式为具有车载充电机的电动汽车提供人机交互操作界面及交流充电接口充电，并具备相应测控保护功能的专业装置，功率一般不大于7KW。
交流充电桩由桩体、电气主回路、控制模块、人机交互模块组成。采用复费率电子式电能表，带485接口；在充电桩进线端加装防雷器，防雷器带有信号输出回路，提供防雷器动作信号；选用的进线断路器自带漏电保护功能；采用微型断路器配置操作机构，具有带符合分断能力和过流保护能力。
2 充电（站）桩谐波源分析
位于苏州市供电公司院内的电动汽车充电桩，由配电室内三相电引至室外配电箱再分配至各个充电桩，充电桩供电电压均为单相220V，配备电子计费以及信号远传功能。我们在总配以及每个充电桩内分别安装了在线检测仪表，共六处数据采集点，以高速采样记录在充电过程中谐波含量的变化情况。
充电桩配电以及测点（黑圈部分）示意图：
图1 充电桩总线-1
由于所测五台充电桩充电对象均为海马汽车公司生产同款车型，因此单台数据相差甚少，在此只对总线数据进行分析。由图1：在单台充电负载上电初期电流由0安培逐渐增大至9.99安培直至稳定，电流谐波畸变率会随着电流的变化出现闪变，最高达到73%，随着充电电流的稳定也会随之稳定接近于3%。
图2 充电桩总线-2
由图2：在两台充电桩同时工作功率接近于4kw，电流谐波畸变率接近于3%，谐波量较小，且相对平稳。
图3 充电桩总线-3
由图3：在三台充电桩同时工作有功功率接近于在6kw左右，电流谐波畸变率接近于15.6%，较之前有增加趋势。
图4 充电桩总线-4
由图4：在四台充电桩同时工作有功功率接近于在8kw左右，电流谐波平均畸变率最大接近于4%，较之前有减小趋势。
图5 充电桩总线-5
由图5：在五台充电桩同时工作有功功率接近于在10kw左右，电流谐波平均畸变率正常为3%左右，但在最后断电瞬间谐波畸变率最大超过60%。
图6 充电桩5线
由图6：单相电流奇次谐波畸变率已超过40%，如若多台充电桩同时工作对电网产生一定的危害。
3 充电（站）桩产生谐波造成的危害
充电（站）桩采用的充电机是非线性设备，运行时会影响电力系统的电能质量。充电（站）桩对电力系统的影响主要体现在造成谐波污染和电网功率因数下降等方面。谐波污染对电力系统产生的危害主要有：
（1）对电费计量系统：将谐波电流计为有功电流，造成用户多支出电费。
（2）对计算机和一些其他电子设备：较高的谐波可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断。
（3）对变压器：谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损，加剧变压器发热，而且谐波也会导致变压器噪声增加。
（4）对功率因数补偿电容器：谐波引起的发热和电压增加会导致电容器使用寿命的缩短，导致机械存在受损危险。谐波引起 中局部的并联谐振和串联谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在吴谐振情况下出现的滤波电压和电流。
（5）对电子设备：电压谐波畸变率会导致控制系统对电压过零点与电压为点的判断错误，是控制系统失控。
（6）对发动机和电动机：机械振动会受到谐波电流和基波频率磁场的影响，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，可发生共振进而产生很高的机械应力。
（7）对电子设备和继电保护：导致电子保护式低压断路器之固态跳脱装置不正常跳闸。电网上一般的谐波很可能对由序分量过滤器组成启动元件的保护及自动装置产生干扰。
目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须采取措施加以限制。供电部门为了避免谐波问题的副作用，对用户与电网公共耦合点上的谐波电压和谐波电流水平，都给出谐波的允许标准。国家标准规定负荷接入系统前必须满足谐波标准GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》。
4 EMI滤波器的作用
电源线是干扰传入设备和传出设备的主要途径，通过电源线，电网的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作，同时设备产生的干扰也可能通过电源线传到电网上，干扰其他设备的正常工作。因此，必须在设备的电源进线处加入EMI滤波器，这种滤波器是低通滤波器，它只允许设备正常工作频率信号进入设备（一般来说就是工频50HZ，60HZ或者中频400HZ），而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。
EMI滤波器的主要作用就是抑制交流电网中的高频干扰对设备的影响和抑制设备对交流电网的干扰；主要功能是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。
滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；时间滤波器的通带和阻带之间在一定频率范围内的过渡带。
高频开关电源由于其在体积、重量、功能密度、效率等方面的诸多优点，已经被广泛地应用于工业、国防、家电产品等各个领域。在开关电源应用于交流电网的场合，整流电路往往导致输入电流的断续，这除了大大降低输入功率因数外，还增加了大量高次谐波。同时，开关电源中功率开关管的高速开关动作（从十几KHZ道数MHZ），形成了EMI骚扰源。从已发表的开关电源论文可知，在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和进场辐射干扰，传导干扰还会注入电网，干扰接入电网的其他设备。
减少传导干扰的方法有很多，诸如合理铺设地线，采取星型铺地，避免环形地线，尽可能减少公共阻抗；设计合理的缓冲电路；减少电路杂散电容等。除此之外，可以利用EMI滤波器衰减电网与开关电源对彼此的噪声干扰。
一般我们常把干扰分为共模干扰和差模干扰两大类。所谓共模干扰就是任何载流导体与参考地之间不希望有的电位差；而差模干扰则是任何两个载流导体之间不希望有的电位差。这两种干扰的来源可以从以下两个方面进行考虑：
共模干扰的来源：
架空导线载传输的过程中会受到周围空间电磁环境的辐射，火线、中线和安全地上所感应的信号的辐射值和相位几乎是相等的，由于安全地线要和大地相连接，所以就形成了火线、中线和安全之间的共模干扰。
差模干扰的来源：
共用一条输电线的不同设备，当其中的某一设备进行切换操作时，火线和中线之间会形成幅值大致相等而相位相反的信号，这种信号就是差模干扰。简单地说，共模干扰就是两个都是进去，而差模干扰则是一进一出。
EMI滤波器是一种由电感和电容组成的低通滤波器，它能让低频的有用信号顺利通过，而对高频干扰有抑制作用。怎么样才能抑制这些高频干扰信号呢？无非就是要在信号进入设备之前把它遏制，也就是说，在输入电路部分对高频干扰形成所谓的阻抗失配。
图7 EMI滤波器的设计结构
图7中的L就是共模电感，它是在同一个磁环上绕制两个绕向相反，匝数相同的线圈所形成的，它只对共模干扰有抑制作用，对差模干扰却没有抑制作用，我们可以从物理的角度来解释；当电网输入共模干扰时，这两种方向相同的纵向噪声电流由右手螺旋定则可知，两个线圈产生的磁通顺向串连磁通相加，电感呈现出高阻抗，阻止共模干扰进入开关电源。同时也阻止了开关电源所产生的干扰向电网扩散，以免污染交流电网。而差模干扰电流和在L1和L2中所产生的磁通，它们反向串连，磁通相互抵消，感抗为零。差模干扰和工频交流电在形式上是一样的，所以共模电感对差模干扰和工频交流有用信号都没有影响。
5 治理后的谐波分析
图8 总谐波趋势图
由图8：治理后的电流总畸变率相对保持在5%一下（在电网电压下降闪变时畸变率最高达到45%）按照单项最高充电电流20A计算，畸变电流均在8A以下，相对较小。
图9 电流平均谐波趋势图
由图9：治理后电流平均谐波畸变率非常地小，电网质量非常的干净。
图10 整体趋势图
由图10整体趋势图三相电流谐波电流远远低于国家规定值：
依据GB/T14549-1993电网质量公用电网谐波对注入公共连接点的谐波电流允许值的规定，如下表：
图11 电压谐波趋势
由图11，治疗后的电压谐波畸变率在负载变动的情况下仍保持在2%，完全符合0.38KV电压总谐波畸变率低于5%相关规定。依据GB/T14549-1993电网质量公用电网谐波对公共电网谐波电压限值的规定，如下表：
6 结论
该套充电装置治理后整体电压谐波畸变率以及畸变电流均满足国家相关规定，只有在单台设备上电以及断电瞬间电流谐波畸变率较大些。
由于很多充电装置安装在普通的商业区、居民区，因此变压器的容量较小，距离变压器的距离较远，因此，与工业场合相比，谐波电流发射会导致更严重的谐波电压。这些谐波电压会导致电网上的信息设备、电子设备、家用电器等工作异常。因此谐波的问题我们应当时刻予以重视和关注。
参考文献：
篇5
关键词：浅层沉淀 波形斜板 侧向流沉淀 侧向流波
以“浅层沉淀”原理为理论基础的斜板、斜管沉淀技术在水处理领域得到广泛的应用，出现了不同水流方向与不同型式的斜板、斜管组合的多种沉淀装置。长春中日友好水厂从工艺到设备全部引进的侧向流普通斜板沉淀池和哈尔滨三水厂由国外提供技术参数的侧向流带翼斜板沉淀池先后投产，成为我国大型水厂采用侧向流沉淀技术的开端。
北京市市政设计研究总院在异向流波形斜板沉淀技术研究的基础上，综合侧向流的长处和波形板的特点，进行了侧向流波形斜板沉淀工艺试验研究，获得并确定了侧向流波形斜板沉淀工艺的结构特征和设计参数。此项成果已在北京市第九水厂二期、三期工程(各50万 m3／d)和深圳市笔架山水厂改造工程(32万m3/d)中采用。此项成果九三年获北京市科技进步奖，九六年被建设部列为重点科技推广项目，被国家科委列入《国家级科技成果重点推广计划指南》项目。
1 侧向流波形斜扳沉淀工艺的提出
1.1 沉淀池设计理论
沉淀池设计基本理论，主要有两条内容。
其一，理论上100％去除的最小颗粒沉速与池深无关，而决定于沉淀池单位沉淀面积通过的流量，称为表面负荷率。
F＝Q／A
(1)
式中 F——表面负荷率 (m3/m2·s)
Q——流量 (m3/s)
A——沉淀面积 (m2)
其二，悬浮颗粒在理想沉淀池中的去除率只取决于沉淀池的表面负荷率，而与其它因素如池长、池深、水平流速及沉淀时间无关。
E＝ui／F
(2)
式中 E——悬浮颗粒去除率
ui——具有小于截留速度的颗粒沉速
1.2 实际沉淀池的沉淀效率
上述设计理论是建立在理想沉淀池的三项假设上的，即沉淀区的水流在任何一点处的流速完全相同、悬浮颗粒的浓度及分布在池深方向上完全一致并在沉降过程中沉速不变和任何颗粒一触及池底就被有效去除。
而实际沉淀池内的流速不可能完全相同，而是具有一定的流速分布；沉淀池中的絮体不仅大小不一，且具有继续絮凝现象，在沉降过程中颗粒浓度及分布在池深方向上主要由于同向絮凝作用而不会完全一致，沉速也会发生变化；到达池底的颗粒，由于沉淀池结构等方面因素不一定能被全部除去。
由于实际沉淀池与理想沉淀池存在明显差异，因此相同表面负荷率情况下实际沉淀池去除率将大大低于理想沉淀池，用下式表示：
Er＝K·Ea
(3)
式中 Er——实际去除率
Ea——理想去除率
K——系数(K＜I)
影响 K值的主要因素：其一是因反应的完善程度而产生的絮体性质，即矾花的密度、大小和均匀性。矾花的密度在很大程度上受水质和混凝剂品种与投加量的制约，而矾花的大小及均匀性主要取决于絮凝反应的形式与性能。其二则是沉淀池的结构型式，能否使反应后的矾花及时有效地与水体分离而去除。
1.3 侧向流波形斜板沉淀工艺设想
利用斜板或斜管增大沉淀面积是提高沉淀效率行之有效的措施。按照水流方向与沉泥下滑方向的关系，分为同向流、异向流(逆向流)和侧向流(横向流)。同向流或异向流沉淀时，水流动力对悬浮颗粒所受重力都有较大影响或干扰。侧向流则不然，水流方向与沉泥下滑方向相互垂直，对下滑影响较小，因而可获得较理想的沉淀效果。
以往的侧向流平板斜板因其刚度低为减少变形采用增加板厚和设置肋结构等方法，致使材料用量大，并为了安装上尽量减少支撑结构占用过水断面而不得不采用复杂的悬吊装置。这些结构与安装上的缺陷加之造价较高限制了侧向流沉淀技术的应用。
为克服平板斜板的上述不足，研究用波形板代替平板。波形板在与平板板厚相同的情况下，其刚度较平板增大一个数量级，因此可适当减薄而节约材料。在波形板两端部设置支撑节点构成斜板箱，组成沉淀单元，可以在沉淀池中重叠放置，灵活而方便地组合安装，且无需悬吊结构，将大大降低造价并简化制作与安装的工作量。
2 侧向流波形斜板沉淀试验研究
2.1 试验流程与试验装置
试验装置的设计规模为25m3／h，试验工艺流程见图 1。
原水来自某水厂进水管(库水)，由泵提升经计量至混合槽，加药快速混合后进入反应池，絮凝后流人沉淀池。
混合方式为快速轴流式机械搅拌。絮凝反应为波形板竖流式三段反应。
沉淀池填料为单元波形扳组。波形板全波高100mm，波长500mm，见图2。
板斜长1500mm。波形板平行组装，板间距60mm，倾角60°。单元波形板组宽750mm，高1000mm，沿水流方向板长4000mm，板组剖面见图3。
2.2 验结果
试验原水浊度0.84～1.89NTU，水温8～19℃。鉴于原水浊度很低，进行了配浊进水试验，浊度为21.2～30.4NTU。
除在沉淀池出水口取样外，在距沉淀池进水口1.75、2.75、3.75m处分设取样管，以测定不同板长处的出水浊度。试验中根据不同进水量、不同板长的试验结果，考察不同板面负荷的沉淀效果。试验结果见表 l和表2。 自然浊度进水沉淀试验结果 1.75m板长 2.75m板长 3.75m板长 4.0m板长 进水量 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 m3/h m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU 34 25.95 1.25 16.50 1.16 12.10 1.06 11.33 1.00 25 19.08 1.18 12.14 1.08 8.90 1.05 8.33 1.05 20 15.27 0.82 9.71 0.74 7.12 0.62 6.67 0.6 12 9.16 0.75 5.83 0.7 4.27 0.63 4.00 0.63 人工配浊进水沉淀试验结果 1.75m板长 2.75m板长 3.75m板长 4.0m板长 进水量 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 容积负荷 出水浊度 m3/h m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU m3/m3·h NTU 34 25.95 6.61 16.50 4.39 12.10 2.82 11.33 2.43 25 19.08 3.92 12.14 2.51 8.90 1.54 8.33 1.47 20 15.27 2.43 9.71 1.90 7.12 1.12 6.67 0.97 12 9.16 1.87 5.83 1.14 4.27 0.95 4.00 0.80
图4为不同进水量时不同板长处出水浊度曲线。
将不同进水条件下容积负荷与出水浊度进行回归，自然浊进水时相关曲线为Y=0.4064LnX－0.3067，相关系数r=0.9291(标准值rα=0.7800)；配浊进水时相关曲线为Y=2.8280LnX－4.0372，相关系数r=0.9205(标准值rα=0.7800)，见图5。
试验结果表明，沉淀效果令人满意，说明波形斜板工艺结构的设计和技术参数的选择是适宜的。
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2.3 试验结果分析
2.3.1 沉淀效果评价
任何沉淀工艺形式固液分离效果的水平均可以用该工艺沉淀结果与其反应出水的静沉实验结果相比较而进行评价。
本试验装置斜板安装倾角为60°、板间距60mm，其最大沉淀距离为60/cos60°=120mm。见图6。
沉淀水样是断面出水的混合样，全部絮体下沉的平均距离为60mm。
静沉实验是用1000ml烧杯取沉淀前反应出水，静沉5min后取上清液测其浊度。上清液取样距杯底约100mm。
表3为沉淀试验出水与反应出水静沉实验浊度对比数据。 沉淀出水与反应出水静沉实验对比 进水量 停留时间 min 自然浊度进水 NTU 人工配浊进水 NTU m3/h 沉淀 静沉 沉淀 静沉 沉淀 静沉 25 4.48 5.00 1.05 1.47 1.21 2.73 20 4.28 5.00 0.74 1.90 1.10 3.39 12 4.41 5.00 0.75 1.87 1.01 2.97 平均 4.51 5.00 0.85 1.74 1.11 3.03
此表表明，沉淀池停留时间接近5min时出水浊度大大低于反应出水静沉5min时上清液浊度， 说明本沉淀工艺可以将部分静沉条件下难以去除的微絮体分离出去。
表4所列为与反应出水静沉5min上清液浊度相近时的沉淀试验条件数据。 沉淀出水浊度与静沉实验浊度相近时沉淀数据 进水 处理水量 板长 停留时间 容积负荷 出水浊度 静沉浊度 条件 m3/h m min m3/m3·h NTU NTU 自然 34 2.75 2.45 16.50 1.16 1.13 浊度 25 1.75 2.11 19.08 1.18 1.21 人工 34 3.75 3.34 12.14 2.82 2.99 配浊 25 2.75 3.33 12.14 2.51 2.73
从表4可以看出，与静沉5min上清液浊度相接近的沉淀时间远小于5min。
上述两表反映的评价结果说明，侧向流波形斜板沉淀工艺的固液分离效果十分理想。
2.3.2 波形斜板结构特性
侧向流波形斜板沉淀工艺有如此理想的固液分离效果，除侧向流固有的水流与沉泥下沉方向垂直互相干扰小的特点外，更主要的还在于斜板的波形结构为板间水体中絮体的继续絮凝提供了条件和沉泥集聚于波形板的波谷中更易于下滑与排除。
2.3.2.1 波形板间隙与继续絮凝
波形扳间隙依波长方向而不同，其图形分析见图7。设间隙量在波峰及波谷处为b，其它部位均＜b，最窄处为 bm。当为正弦波时，α角30°，则bm＝b ·cosα。本试验装置b＝60mm，则bm＝60×0.866＝52mm。两斜板间的水流将由于间隙的改变而不断变化，这种适度的“蛇形”流线和流速的变化，为絮体继续碰撞进一步絮凝创造了良好的水力条件。絮凝沉淀正是侧向流波形斜板沉淀能取得满意效果的重要因素之一。
2.3.2.2 波形结构与沉泥下滑
波形板材料为 ABS或PVC，板面平滑。沉泥沿着波峰至波谷的波面与重力合成的方向下滑、集中，在波谷底部形成泥束。这种泥束的形成是波形板特有而平板斜板所不具备的集泥形式。
沉泥下滑的基本条件是泥与水的重力差在斜面上引起的下滑力大于沉泥与上部的水面和下部的板面形成的摩擦阻力之和，见式4和图8。
f＞fw + fp (4)
式中 f——下滑力
fw——水面对泥的阻力
fp——板面对泥的阻力
水和板面对沉泥下滑的阻力属粘滞性阻力，与接触面积的大小成正比。波形斜板形成的下滑泥束具有较小的接触界面，因而阻力 fw和fp均较小，这样相对较小的下滑力就可使泥束在波谷中下滑和从波形板组中排除。
沉泥在波谷中形成泥束和泥束的下滑所需下滑力较小这两大特点，使相同安装倾角的波形斜板与平板斜板相比肯定具有更高的泥水分离效果，沉淀效果更加理想。
3 沉淀装置单元设计
正弦波构造形式的斜板，其刚度较之平板大大增加，可以构成单元化沉淀装置。目前我们开发设计的沉淀单元计有Ⅰ型和Ⅱ型两种，均已获得国家实用新型专利。
3.1 Ⅰ型侧向流波形斜板沉淀单元
该沉淀单元为箱型结构，即波形板组两端连接（焊接）于支撑立板上，两支撑立板以肋板连接，构成箱型。见图9。
以从波形斜板侧向心线垂直被切掉的上端波谷段和下端的波峰段分别作为与支撑板上下端的连接结合部位，波形斜板下端波谷部分和支撑板之间的月牙形间隙自然成为从波谷向下排泥的排泥孔，斜板上端中心线以上的波峰沿水平方向被切掉后所形成的弓形间隙作为斜板组的冲洗孔。见图10。
北京市第九水厂二期沉淀池应用此型沉淀单元。
3.2 Ⅱ型侧向流波形斜板沉淀单元
Ⅰ型侧向流波形斜板沉淀单元是方形柱体便于在池中插入安装和取出，但有相当数量的斜板长短不一，要由标准长度的斜板截取，材料有些浪费；斜板与支撑立板的连接采用焊接或粘接，制作有一定难度；还要加工冲洗孔和排泥孔，需要一定的工作量。为克服这些不足，研制开发了Ⅱ型沉淀单元。见图11。
该型式沉淀单元亦称侧向流棱形框架波形斜板沉淀单元，由框架、波形斜板组和带弧形托的固定件组成。单元框架是由管状杆件构成的立体棱形框架，前后视均为平行四边形，侧视为矩形。在前后框上各设W形的一组杆件，左框与右框中间设有中间杆件，以使框架具有足够的刚度和强度。弧形托固定件分设于前后框的上下框边以及上下框的前框边和后框边中间，波形斜板的两端分别插入其齿缝并支持于与波形板弧形相对应的框架杆件上，构成对各波形板的线型支撑并将波形板固定成板组。
该型沉淀单元使用等长的板材，从而节省材料和加工工作量；不需另行加工冲洗孔和排泥孔，便于检查和维护，完全避免了污泥堆积又使冲洗极为便利；波形板的安装固定由焊接或粘接改为定位式的插联拼装，大大减少了焊接工作量并提高了制造精度和牢固性。Ⅱ型与Ⅰ型相比，每单位容积可节约材料20%左右，并由于取消了冲洗孔和排泥孔使有效沉淀面积增加20%以上。
此型沉淀单元已在深圳市笔架山水厂扩建工程中应用。
3.3 侧向流棱形框架波形斜板沉淀单元的设计与计算
由于该型沉淀单元较Ⅰ型有着显著的优点，是Ⅰ型的改进型，因此Ⅰ型沉淀单元的设计与计算不再赘述。
3.3.1 设计参数
水平流速 5～20mm/s ， 容积负荷(Cv) 10m3/m3·h ， 水力停留时间 6min。
3.3.2 板箱尺寸与处理能力
板箱高度H(m) 1.0 1.1
板箱宽度B(m) 1.3 1.3
单箱体积m3 2.6 2.86
有效沉淀面积m2 16.6 18.4
每m3箱体处理能力(Cn)m3/h 8～15
3.3.3 板箱用量计算
3.3.3.1 按板箱容积计算
V=
(5)
式中：V——需要的板箱总容积(m3)
Q——设计处理水量(m3/h)
Cv——容积负荷(m3/m3·h)
1.2——设计安全系数
3.3.3.2 按板箱数量计算
n=
(6)
式中： n——需要的板箱数量
Q——设计处理水量(m3/h)
Cn——每箱处理能力(m3/h)
1.2——设计安全系数
3.3.4 沉淀单元的安装
在满足设计参数条件下，板组单元在设计所需数量确定后，可以在沉淀池中随意叠放，组成多种池形。见图13。
一般波形板箱竖向叠放2～4个单元，不宜超过4个单元，以3个为宜。
板箱下面垂直水流方向以及板箱纵向两端空间部分设档板以防短流。
板箱上端一般潜没水下100mm。
一般以设于波形板箱下的潜水刮泥车排泥。见图14。
4 工程应用
4.1 北京市第九水厂二期工程
北京市第九水厂二期工程日处理能力50万m3。工艺流程为：原水—混合—絮凝—沉淀—过滤—碳吸附—消毒—配水。沉淀采用侧向流波形斜板工艺。分二个系列，每系列按25万m3/d设计，每系列设沉淀池二座，共四池。
每池长19m、宽28m、最深处7.5m。斜板区分前后两部分，前板箱区沿水流方向设置5排板箱、长5m；后板箱区沿水流方向设置4排板箱、长4m；中间相隔1.3m。板箱前设有4.7m长进水区，板箱后设有4.0m长出水区。斜板区由上下两层板箱组成，板箱总高4.5m，有效高度4.0m，板箱下部为集泥区。安装布置见图15。
该工程波形斜板沉淀工艺板面有效系数0.75，容积负荷7m3/m3·h，水平流速14mm/s。超负荷25％时，容积负荷8.5m3/m3·h，水平流速17mm/s。
4.2 深圳市笔架山水厂改造扩建工程
该厂原处理能力18万m3/d，平流沉淀池。97年扩建为32万m3/d，原平流沉淀池填充波形斜板改造为侧向流沉淀池，分建两池。平面布置示意见图16。
篇6
【关键词】中性线；谐波；导线截面
前言：在三相四线制的照明线路中，如果照明光源是气体放电灯或是调光灯具，则会在中性线上存在大量谐波电流，因此选择中性线的截面时要考虑谐波电流的影响。
中性线上谐波电流分析
气体放电灯或调光灯具都是非线性负载，在线路中会产生电流畸变，根据傅里叶分析，畸变电流可以分解成一系列不同频率的正弦波。三相平衡电流的幅值按A、B、C三相出现的先后次序分为正序三相电流、负序三相电流和零序三相电流。对于三相谐波电流而言，同样也有相序问题。正序谐波的相序与基波相序相同，比如第7、13、19、----次谐波都是正序谐波；负序谐波的相序与基波相序相反，比如第5、11、17……次谐波都是负序谐波；零序谐波不形成相序，与基波相序无关，第3、9、15……次谐波都是零序谐波。无论是正序谐波还是负序谐波，它们在中性线中的矢量和为零，不会形成电流，而零序电流在中性线中叠加，甚至高于相线电流。
下面对电流进行分析。
三相四线制线路上电流波形见图1，中性线电流为三相电流之和，即IN=I1+I2+I3，如果三相基波电流相等，因相位角差120°，中性线上基波电流相量和为零。对于正序谐波和负序谐波分析结果与基波相同。但是对于三次及以上的零序谐波电流就不同，由于零序谐波电流在中性线上相量角处于同一相位，电流互相叠加。当相线上三次谐波电流含量为基波电流的1/3时，则中性线上的三次谐波电流就等于相线上的基波电流。其他9、15、21次等三次谐波的奇数倍谐波电流也是如此（图1中未表示）。
照明系统谐波电流产生原因
气体放电灯是照明线路中产生谐波电流的主要原因。气体放电灯包括荧光灯、霓虹灯、低压钠灯、高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯等。
气体放电灯作为第二代电光源，具有效率高, 寿命长, 显色范围宽等优点, 在照明领域得到广泛应用。但是由于气体放电灯的非线性和工作在弧光放电区的负阻效应，随着气体放电灯的大量采用, 在线路中产生严重的谐波污染。气体放电灯电路本身存在产生谐波和谐波放大的条件:
（1）气体放电灯工作在弧光放电区，具有下降的伏安特性，即通常说的负阻特性，其本身就存在产生谐波的条件，使弧光放电的电压出现弛张振荡。
（2）为了使工作负阻区的电弧稳定, 若采用铁芯电感镇流器，这又引入了谐波， 若使用普通电子镇流器, 谐波电流也很复杂。
（3）为了提高电路的功率因数, 采用铁芯电感镇流器时，如并联电容器补偿, 虽然电路功率因数提高了, 但谐波电流却会被放大。
（4）大量采用节能灯也是谐波电流产生的重要原因。使用节能灯主要产生三次谐波，谐波含量甚至高达30-50%。
（5）有调光装置的线路中也会产生严重的谐波。可控硅调光器是目前舞台上的主流调光器。 舞台灯光用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。由于导通角的改变，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波，含有大量的谐波。
根据谐波电流选择中性线截面
在三相四线制配电系统中，中性线的允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响。以气体放电灯为主要负荷的回路中，中性线截面不应小于相线截面。采用可控硅调光的三相四线配电线路，保护线的导线截面不应小于相线导线截面的两倍。
对于电缆和穿管电线，如果存在大量的三次及其奇数倍谐波电流，就要考虑谐波电流对导体发热的影响，尤其是对中性线导体。为此在确定存在谐波电流的回路导体截面时应除以一降低系数来放大导体截面积。
例：三相平衡照明系统，负载电流40A，采用YJV-1KV四芯电缆，沿墙明敷设，求电缆截面。
解：不同谐波电流下的计算电流和选择结果见下表：
注：电缆截面参照《04DX101-1 建筑电气常用数据》
从上面计算可以看出，当线路中存在大量谐波时，就不能忽视谐波电流对导线截面尤其是中性线截面的影响。因此，在进行照明电气线路设计时，就要考虑照明电光源的选择问题，如果大量使用气体放电灯或调光灯等大量产生谐波的光源时，导线截面尤其是中性线的截面选择就要按照上述计算方法来选择。不然在将来投入使用时导线就会发热甚至发生电气火灾。
结论
在一个大的照明区域里, 当大量使用气体放电灯时，谐波电流带来的危害应引起我们足够的重视。要考虑谐波对导体截面的影响，不能按照常规方法校验导线载流量，尤其是中性线的导线截面。中性线的热故障和火灾问题应从设计、施工、维护等各方面采用措施加以杜绝。中性线连接部分牢固可靠，接触良好，防止断线；中性线的保护以及巡检中的电流测量问题，都应当求得科学有效的解决方法。
参考文献：
[1]北京照明学会照明设计专业委员会编 《照明设计手册》（第二版）中国电力出版社，2006年
[2]王连才等 “气体放电灯对电路的谐波污染”《照明工程学报》第9卷第4期。
篇7
1 谐波产生的原因
在供电系统中谐波的发生主要是由两大因素造成的：
(1)可控硅整流装置和调压装置等的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普通采用以及各种非线性负荷的增加导致波形畸变。
(2)设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作或裕量较大的设计。现在为了竞争，对电工设备倾向于采用在临界情况下的设计。例如有些设计为了节省材料使磁性材料工作在磁化曲线的深饱和区段，而在这些区段内运行会导致激磁材料波形严重畸变。
2 谐波对电力系统的危害
谐波对电力系统的污染日益严重，谐波源的注入使电网谐波电流、谐波电压增加，其危害波及全网，对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。现将对具体设备的危害分析如下：
(1)交流发电机。同步电动机及感应电动机在定子绕组和转子绕组产生附加热损耗，热损耗除谐波电流铜损I2nR以外，还由于电流的集肤效应，产生附加损耗，对转子引起热损耗增大。对大型汽轮发电机来说，若发生多次谐波振荡，谐波电流超过额定电流的25％时，由于上述原因可能会导致转子局部过热而损坏。对变压器来说，铁心产生热损耗，尤其是涡流损耗大，在变压器绕组中有谐波电流。在铁心中感应磁通，产生铁损。
(2)架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。
(3)电力电容器由于谐波电流会引起附加绝缘介质损耗，加快电力电容器绝缘老化。系统谐波电压或电流发生谐振则引起过电压和过电流，使电气设备绝缘损坏，引起噪声与振动。
(4)电子计算机会由于谐波干扰发生失真，工业电子设备功能会因其被破坏。
(5)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作，造成电能计量的误差。
(6)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。
3 电力系统抑制谐波的措施
为了把谐波对电力系统的干扰(污染)限制在系统可以接受的范围内，我国和国际上分别颁布了“电力系统谐波管理暂行规定”和IEC标准，明确了各种谐波源产生谐波的极限值。
电力系统抑制谐波的主要措施有：
(1)在补偿电容器回路中串联一组电抗器
在未加X。前，略去电阻，谐波源，n母线处的谐波电压为：Un=Xsn>In；并联了补偿电容器后，则谐波源的输入谐波电抗为：此时谐波电压，注入系统的谐波电流Un，Isn>In。即并联电容器使系统的谐波被放大了。如果对应某次谐波有Xsn-Xcn=0即发生谐波，则其谐波电流、电压都趋于无穷大。为了摆脱这一谐振点，通常在电容器支路串接电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的任何谐波下，均使电容器回路的总电抗为感抗而不是容抗，从根本上消除了产生谐波的可能性。
(2)装设由电容、电感及电阻组成的单调谐滤波器和高通滤波器
单调谐滤波器是针对某个特定次数的谐波而设计的滤波器，高通滤波器是为了吸收若干较高次谐波的滤波器。应装设的滤波器类型、组数及其调谐频率(滤波次数)可由具体计算决定。
(3)增加整流相数
高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或36相。当采用12相整流时，高次偕波电流只约占全电流的1％，危害性大大降低。
(4)改变绕组接线形式
当两台以上整流变压器由同一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和形，这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响，由于频次高，波幅值小，所以危害性减小。
4 结论
(1)谐波的发生影响整个电力系统的环境，如在通讯中因发生谐波噪声使通话质量下降，使控制和保护设备发生误动作以及使电力装置与系统过载，给电力系统正常运行造成危害。
篇8
关键词：有源电力滤波器;谐波;MATLAB仿真
0．引言
20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用，使电力系统的非线性负荷明显增加，导致谐波危害日益严重，谐波治理刻不容缓[1-3]。电力系统谐波抑制措施主要有三种[4]:
受端治理:即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力。
主动治理:即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。
被动治理：即外加滤波器,阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
被动治理谐波的措施：
1.采用无源滤波器PPF（Passive Power Filter,PPF,PF）或称为LC滤波器。LC滤波器[1-6]由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构连接而成的滤波装置。LC滤波器是出现最早[6]，虽然存在一些较难克服的缺点[1-6]，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法[1-6]。
2.采用有源电力滤波器APF（Active Power Filter）。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统谐波抑制方法缺点。随着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上已经进入实用阶段。
有源电力滤波器APF（Active Power Filter）是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿[4、5]。
1．有源电力滤波器基本原理
有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）是一类重要的电力电子在电力系统中应用的装置，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗的影响。和传统的无源电力滤波器相比，是一种很有前途的消除或抑制负载或电网谐波手段。
图1为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图[4、5]。
图1 并联型有源电力滤波器系统构成
系统主要有两大部分组成[5]，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路、和主电路三个部分组成）。其中，指令电流运算电路的主要功能是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，即所谓得谐波检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相抵消，最终得到期望的电源电流。主电路目前均采用PWM变流器。
2．基于瞬时无功功率的ip-iq检测方法
有源电力滤波器谐波检测环节直接影响到谐波补偿效果，快速、准确的检测出谐波对有源电力滤波器整体性能至关重要。
基于ip－iq运算方式的谐波电流检测法是由西安交通大学王兆安教授在二十世纪九十年代提出的，该方法可以快速检测，即使当电压波形有畸变，也能准确地检测出全部谐波和无功电流。ip－iq法原理如图2所示[6]，PLL为锁相环。
图2 ip－iq检测方法原理图
图中
3．仿真分析
本文用Matlab对三相三线制并联有源电力滤波器系统进行仿真研究。主要参数为：
电网：三相理想电压源：35KV，50Hz。
谐波检测方法：基于瞬时无功功率的ip－iq检测方法
非线性负载：阻感性载负。
图3－1补偿前系统电流波形及频谱分析
从实验结果可以看出：有源电力滤波器未投入前负载电流中含有很大谐波成分。从波形及频谱分析出电流总谐波畸变率达到27.54％。而在有源电力滤波器投入后，电流总谐波畸变率为0.56％, 对谐波起到了很好的抑制作用。
4．结论
本文研究了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法－基于瞬时无功功率理论的ip－iq谐波电流检测方法，进行了基于该谐波检测方法构建的三相三线制并联有源电力滤波器仿真分析，结果验证了检测方法的准确性及该滤波装置对谐波抑制的良好性能，具有理论及实践意义。
参考文献：
陈志业,尹华丽,.电能质量及其治理新技术[J].电网技术,2002,26(7):67-70.
篇9
关键词:谐波危害;谐波抑制;治理措施
前言
在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态,为用户提供高效使用电能的手段。但是,电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重,影响了供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理,研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。
1.谐波及其起源
在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。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l00Hz,3次谐波则是150Hz。一般地讲,奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系,偶次谐波已经被消除了,只有奇次谐波存在。对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n±1次谐波,例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。
2.谐波的主要危害
谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在:
2.1 谐波对线路的影响
对供电线路来说,由于集肤效应和邻近效应,线路电阻随着频率的增加会很快增加,在线路中会有很大的电能浪费。另外,在电力系统中,由于中性线电流都很小,所以其线径一般都很细,当大量的谐波电流流过中性线时,会在其上产生大量的热量,不仅会破坏绝缘,严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时,会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿,造成恶性事故。
2.2 对电力变压器的影响
谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负荷的变压器来说,会大大增加励磁电流的谐波分量。
2.3 对电力电容器的影响
由于电容器对谐波的阻抗很小,谐波电流叠加到基波电流上,会使电力电容器中流过的电流有很大的增加,使电力电容器的温升增高,引起电容器过负荷甚至爆炸。同时,谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振,并又施加到电网中。
2.4 对电机的影响
谐波会使电机的附加损耗增加,也会产生机械震动,产生甚至引起谐波过电压,使得电机绝缘损坏。
2.5 对继电保护和自动装置的影响
对于电磁式继电器来说,电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动,造成整个保护系统的可靠性降低,容易引起系统故障或使系统故障扩大。
2.6 对通信线路产生干扰。
在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时,通过电磁耦合,会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作,使通话清晰度降低,甚至会引起通信线路的破坏。
2.7 对用电设备的影响
电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动,图像或图形发生畸变,甚至会使机器内部元件损坏,导致机器无法使用或系统无法运行。
3.谐波抑制方法
在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流,以便把谐波电压控制在限定值之内,抑制谐波电流主要有三方面的措施:
3.1 采取脉宽调制(PWM)法
采用脉宽调制(PWM)技术,在所需要的频率周期内,将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲,这种方法可以大大抑制谐波的产生。
3.2 降低谐波源的谐波含量
也就是在谐波源上采取措施,最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极,能够提高电网质量,可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有:
3.2.1 增加整流器的脉动数
高次谐波电流与整流相数密切相关,即相数增多,高次谐波的最低次数变高,则谐波电流副值变小。一般可控硅整流装置多为6相, 为了降低高次谐波电流,可以改用12相或34 相。当采用12相整流时,高次谐波电流只占全电流的10%,危害性大大降低。
3.2.2 脉宽调制法
采用PWM,在所需的频率周期内, 将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。
3.2.3 三相整流变压器采用Y- d (Y ) 或D、Y( Y) 的接线
当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时,可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和形, 这就可使5次、7次谐波相互抵消,而只需考虑11次、13次谐波的影响,由于频率高,波幅值小,所以危害性减小。
3.3在谐波源处吸收谐波电流
这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法,这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种:
3.3.1 无源滤波器
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、C、R元件构成谐振回路,当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时,即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点,无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响; 对某些次谐波有放大的可能;耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展, 人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。
3.3.2 有源滤波器
与无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应性,能补偿各次谐波,可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践,而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高,有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
3.3.3 防止并联电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用,危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,还可以采取限定电容器组的投入容量, 避免电容器对谐波的放大。
篇10
关键词：供配电系统；波形畸变；谐波电流；治理措施
前言
配电变压器运行时有一种电能损耗源是谐波电流，其在系统中流动会使变压器、配电设备及导线发热，由此产生电能损耗。另外， 谐波电流会导致谐波电压的产生， 从而引起高次谐波电压畸变。我国颁布的GB/T14549-93 《电能质量・公用电网质量》标准中对高次谐波电压(相电压)限值有严格规定： 额定电压为0.38 kV的电网中， 电压总谐波畸变率不得超过5.0%， 各次谐波电压含有率的奇次不得超过4.0%，偶次不得超过2.0%。同时还规定高次谐波电压对电网的冲击持续的时间不超过2 s ， 且两次冲击之间的间隔时间不小于30 s 。
一 供配电系统中的谐波现象
如某大型企业的10/0.4 kV变配电系统是由第一、第二两个变电所组成。两个变电所都是采用两台变压器分列运行方式， 如图1 所示。第二变电所的二号变压器由10 kV 高压304 断路器控制，0.4 kV 低压由11DP 输出总屏控制，10DP 为与一号变压器输出的I 段母线的联络开关，12DP、13DP 为电容补偿屏，14DP～22DP 为低压馈电线路控制屏。图2 所示为14DP 供电线路的高次谐波电流百分比含量曲线图(上曲线)。从零时至第二天零时的一昼夜中，高次谐波电流含量一般都在10%～50%之间徘徊， 而且三相中以B 相含量为最高。高次谐波电压百分比含量(下曲线)， 多次电压突破5%， 达到6%的含量。
图3 所示为15DP 供电线路的高次谐波电流百分比含量曲线图（ 上曲线） 。从零时至第二天零时的一昼夜中， 只要线路有负荷就有谐波电流的存在， 最少都有5%以上的含量， 负荷高峰时可达30%～45%。高次谐波电压百分比含量（ 下曲线） ， 多次电压突破5%， 达到6%的含量。从配电所的NS6000 后台系统检测的数据可看到：配电所的供电电力系统中， 存在大量的高谐波电流， 由此引起的高次谐波电压的含有量（ 特别是奇次谐波含有量） 远远超过了标准限值， 电压总谐波畸变率特别高， 而且谐波电压对本系统的冲击持续时间长， 间隔时间短，有时NS6000 后台系统也根本无法检测到每次冲击的时间间隔， 即这种冲击长时间地停留在供配电网络中。
二 供配电系统谐波的产生
从波形图上可以看出， 谐波电流的含量已经超标，这必将导致系统的谐波电流出现高的畸变率。而以上两路输出线路的高次谐波电压的含量虽然不是很高， 但是由于每条线路都在不同时间段存在不同程度的超高， 这会使低压输出的各个分支网络的高次谐波电压在相同时间或不同时间段内不断大量涌入整个低压供电系统，导致系统的谐波电压的叠加， 使谐波电压含量增加、谐波电压畸变率增大。严格地讲， 电力网络中的每个环节， 包括发电、输电、配电、用电都可能产生谐波， 其中产生谐波最多位于用电环节上。发电机是由三相绕组组成的， 由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波， 因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。理论上讲， 发电机三相绕组必须完全对称， 发电机内的铁心也必须完全均匀一致， 才不致造成谐波的产生， 但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制， 发电机总会产生少量的谐波。输电和配电系统中存在大量的电力变压器， 其励磁电流的谐波含有率与它的铁磁饱和程度直接相关。正常运行时， 电压接近额定值， 铁芯工作在轻度饱和范围， 此时谐波不大。但在一些特殊运行方式下(如夜间轻负荷期间)，运行电压偏高， 导致铁芯饱和程度较严重， 致使磁化电流呈尖顶形， 内含大量奇次谐波。另外， 由于经济原因， 变压器所使用的磁性材料通常在接近非磁性材料或在非磁性材料区域运行。在这种情况下， 即使所加的电压为正弦波， 变压器的励磁电流也是非正弦的； 如果励磁电流是正弦波， 则电压就是非正弦波， 从而产生谐波。用电环节谐波源更多， 晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器， 都能产生一定量的谐波。高含量的谐波电压是导致电压总谐波畸变的直接原因。为以上分析的各断路器供电的设备全为大型胶印设备， 装机容量大， 感应电动机多， 变压器多， 直流设备也多， 为1DP-B 所供电的设备的大功率的交流变频调速的电动机装机容量超过300 kW， 为16DP-B 所供电的设备一般采用直流电动机拖动， 不论是直流电动机还是交流变频调速电机， 其变流装置一般都采用大晶闸管可控整流装置， 由于以上原因致使供电网络中的电压总谐波畸变率居高不下。
三 供配电系统谐波的危害
谐波是不能忽视的，其危害主要表现有以下几方面。
3.1 谐波对电能损耗的影响
谐波增加了输、供和用电设备的额外附加损耗， 使设备的温度过高， 降低了设备的利用率和经济效益。在理想的正弦波的情况下， 无功功率Q 仅仅反映了电能在电源与负载之间交换或传递的幅度。但是， 在谐波环境下的无功功率Q 中， 一部分反映了电能在电源与负载之间交换的幅度， 还有一部分则主要做了“ 无用功” 。这是因为多数用电设备都被设计成工作在50 Hz 的正弦波电网中， 故它们不能有效地利用谐波和间谐波电流， 于是这部分能量就只能通过发热、电磁辐射、振动和噪音等途径耗散掉， 成为“ 无用功” 并同时造成各种环境污染。
(1)电力谐波对输电线路的影响
谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时， 对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
(2)电力谐波对变压器的影响
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度， 谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言， 会大大增加励磁电流的谐波分量。
(3) 电力谐波对电力电容器的影响
含有电力谐波的电压加在电容器两端时， 由于电容器对电力谐波阻抗很小， 谐波电流叠加在电容器的基波上， 使电容器电流变大， 温度升高， 寿命缩短， 引起电容器过负荷甚至爆炸， 同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振， 使故障加剧。
3.2 谐波对继电保护和自动装置的影响
特别对于电磁式继电器来说， 电力谐波很可能引起继电保护及自动装置误动或拒动， 使其动作失去选择性， 可靠性降低， 容易造成系统事故， 严重威胁电力系统的安全运行。
3.3 谐波对功率因数的影响
(1) 谐波对功率因数计算方法的影响。功率因数是指有功功率和视在功率的比值， 在系统存在谐波时的实际功率因数为：PF=P/S ，式中，P 是有功功率，S 是视在功率。在理想正弦波的情况下， 功率因数cos￠=P1/S 1， 式中，P1是基波的有功功率，S1是基波的视在功率。但是， 在谐波环境中，PF＜cos￠， 即：PF=P/S= P/S1× S1/S =PFdisp×PFdist
式中，PFdisp为位移功率因数，PFdist为畸变功率因数。
(2) 谐波对功率因数补偿方法的影响。传统的静电电容补偿方法只能解决由于电流相位滞后导致的无功功率问题， 而对由于谐波、间谐波等频率不合所导致的无功功率却无能为力。因此， 在谐波环境中， 计算静电补偿电容的容量时，应当扣除畸变所致的无功功率， 而且这部分无功功率必须用配置电抗器、滤波器等治理谐波的方法解决。
3.4 谐波导致配电系统地谐振风险增大
谐波会在热效应、耐压等方面给补偿电容器带来负面影响， 故应根据谐波状况来调整电容器的耐压参数。应当注意的是， 谐波还会导致电容器过载、过热， 故谐波还会影响电容器的容量选择。另外， 配电系统中， 无功补偿电容器和变压器电抗在一定条件下可以形成串联或并联谐振电路。前者从电网吸入谐振频率及其相近频率的谐波电流， 从而导致电容器过载， 同时在电容器和电感上产生极高的电压， 导致相关设备绝缘击穿； 后者将向电网注入经谐振电路放大数倍的电流， 从而导致电容器、变压器及导线过载， 同样也会产生极高的谐波电压，导致相关设备绝缘击穿。
四 谐波治理方法
4.1 三相整流变压器采用Y、d 或D、d 联结方式
由于3 次及3 次整数倍次的谐波电流在三角形联结的绕组内形成环流， 而星形联结的绕组内不可能出现3 次及3 次整数倍次的谐波电流， 因此采用Y、d 或D、d联结的三相整流变压器， 能消除注入供电网络的3 次及3 次整数倍次的谐波电流。又由于供电系统中的非正弦交流电压或电流，通常是正、负两半波对时间轴(横轴）是对称的， 不含直流分量和偶次谐波分量， 因此采用Y、d或D、d 联结的整流变压器以后，注入电网的谐波只有5、7 、11 等次谐波了。这种方法是抑制谐波的最基本方法。
4.2 增加整流变压器二次侧的相数
整流变压器二次侧的相数越多， 整流波形的脉波数越多， 其次数低的谐波被消去的也越多。如整流变压器相数为2×3 相时， 出现的5 次谐波电流为基波电流的18.5%，7 次谐波电流为基波电流的12%。如果整流相数增加到4×3 相时， 则出现的5 次谐波电流降为基波电流的4.5%，7 次谐波电流降为基波电流的3%， 都差不多减少到1/3 。由此可见， 增加整流变压器二次侧的相数对抑制谐波效果相当显著。
4.3 装设分流滤波器
在大容量“ 谐波源” （ 如大型晶闸管整流器） 与电网连接处， 装设分流滤波器， 使滤波器各组R-L-C 回路分别对需要消除的5 、7 、11 等次谐波进行调谐， 使之发生串联谐振。由于串联谐振时阻抗极小， 从而使这些谐波电流被它分流吸收而不至于注入公用电网。分流滤波器接线图如图4 所示。
五 结语
综上所述， 谐波治理是综合治理过程， 是改善供电品质的重要手段。GB/T 14549-93 《电能质量―公用电网谐波》对电网各级电压谐波水平进行了量化限制。这样做不仅能够改善整个网络的电力品质， 同时也能延长用户设备使用寿命， 提高产品质量， 降低电磁污染环境，减少能耗， 提高电能利用率。
参考文献
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ16-2008 民用建筑电气设计规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008.
[2] 陈众励． 民用建筑配电系统谐波防治技术初探[ J ] . 建筑电气，2009(10) ：3-7.
[3]刘燕燕、亓跃峰，电网谐波危害分析及在煤矿生产中的应用[J]存在现代电子技术，2005，(18).