谐波分析课件

二、旋转电机 二节
谐波的危害
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。
2 L 1 2 Ph RScc I h 0 (电源性质)
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）
---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)
次数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
谐波（%）
P5 3I 5U 5 1.73 12.6 109 2.38(kW) P7 3I 7U 7 1.73 7.6 92 1.2(kW) P5 P7 3.58(kW) 0.29% P 1
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；
---- 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。
•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
二节 谐波的危害
一、谐振下的谐波放大
(1)串联谐振 f s f0 KST Sc
(2)并联谐振 f s f0 S Scc Sc
ST 是变压器容量， S c是电容器额定容量， K是短路比
S Scc是A点系统短路容量
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。
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
国标值(A)
实测值(A) 3次 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ30 5次 2.3 17 7次 1.9 11
电力系统的谐波源
家用电器谐波
•电视机：谐波电流含有率THDI>80%;
•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%；
Uh 1 m
2 U hk k 1 m
U hk
一节 谐波产生
对应定义
h次谐波电压含有率
HRU h U h / U1 (%)
HRU h U h / U1 (%)
HRU h U h / U1 (%)
U hk
h次谐波电流含有率
HRI h I h / I1 (%)
谐波电压总畸变率
HRU h U h / U1 (%)
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
i (t )

h 1
M
2 I h sin(h1t h )
2U h sin(h 1t h )
u (t )

h 1
M
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。
电力系统谐波 （第五章 谐波的产生）
1、电能质量分类
电能质量
频率
供电质量
电压质量
供电可靠性
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
特征谐波
I h I1 / h I1 6 h 6k 1, k 1, 2, 3, ...

Id
12脉动整流器特征谐波
I h I1 / h I1 2 6 h 12 k 1, k 1, 2, 3, ... Id

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)
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
I1( 2 ) eq I
2 1( 2 )
I
h2

2 h
现象: THDI>10%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%）
U1( 2 ) eq U
2 1( 2 )
(U h / h )
h2
0.8 2
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；
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
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
Z I 2 ( R jX ) I 2 基波 : S1 I1U1 L 1 L L 1 P R I 0 (负荷性质) 1 2 谐波 : S h I hU h Z Scc I h ( RScc jX Scc ) I12
（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；
L dy(t ) y (t ) u (t ) R dt u (t ) 0 : y (t ) 0 u (t ) 0 :
dy(t ) y (t ) f 2 [u (t )]u (t ) dt L u (t ) 0 : f1[u (t )] ; f 2 [u (t )] 1 R u (t ) 0 : f1[u (t )] 0; f 2 [u (t )] 0 f1[u (t )] 非线性 动态 定常
U—I 线性关系：正弦电压得到正弦电流
di(t ) di(t ) Lcc L Rt (i ) u0 (t ) dt dt di(t ) L Rt (i ) u (t ) dt
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
二节 谐波的危害
谐波电压、电流和谐波功率的关系
I 5 12.6 A; I 7 7.6 A
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：
U12 5 3 I 5 10 2 5 1.73 12.6 HRU 5 % 109 (V ) 1.1%U n Scc 100 U12 5 3 I 5 10 2 7 1.73 7.6 HRU 5 % 92 (V ) 0.9%U n Scc 100
一节 谐波产生
电弧炉:
Lcc
di(t ) di(t ) LT Ru (t ) i (t ) u0 (t ) dt dt
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)：
Ru (t ) i(t ) u (t )
电压与电流的非线性导致波形畸 变。
（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。