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电力系统电磁兼容:研究生教材与关键原理详解
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更新于2024-07-24
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电力系统电磁兼容是一门重要的专业课程,旨在探讨电力系统中的电磁环境及其相互作用,特别是针对电磁骚扰的管理和防护。本书由王洪新和贺景亮主编,是武汉大学出版社出版的针对电气工程类专业研究生的教材,也可供工程技术人员参考。内容全面且系统,共分为十个章节,涵盖了电力系统的电磁环境、骚扰源、骚扰效应、骚扰测量、抑制方法以及抗扰度试验等多个关键领域。 课程内容首先介绍了电磁兼容的起源和发展背景,强调随着微电子技术的进步,对电磁环境的要求提升,这推动了电磁兼容学科的迅速发展。电力系统作为一个特殊的电磁环境,由于其高压、大规模、复杂网络和先进技术的应用,电磁骚扰问题变得更为严峻。这些现代电力系统不仅依赖于众多自动化设备,它们对电磁干扰的敏感性也使得电磁兼容问题显得尤为重要,因为它关系到电力系统的安全性、效率,甚至电力设施的规划、设计和运行成本。 教材的目标是帮助学生建立电磁兼容的基本理论知识,培养他们对电磁环境的理解,掌握相关的技术和策略,以便更好地服务于电力系统和整个国民经济。课程内容注重电力系统特有的电磁特性,如低频谐波和暂态骚扰的处理,同时也融入了无线电、通信等相关领域的知识,以提供全面的视角。 通过学习电力系统电磁兼容,学生能够理解电磁环境如何影响电力设备的正常运行,学会识别和评估电磁骚扰,以及实施有效的抗扰措施。这对于电力系统的设计者、维护人员以及管理人员来说,是一项必备的专业技能,因为电磁兼容问题已经成为电力行业职业发展中的重要考量因素。因此,开设这门课程对于培养未来的电力系统专业人士具有重要意义。
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2) 传播方式, 包括传导、耦合( 感应) 和辐射以及它们的组合。
3) 骚扰效应, 包括一次和二次设备对各种骚扰的响应特性, 骚扰引起热的、机械的和电
气的破坏作用及误动作。
4) 骚扰的测量和计算, 包括测量方法、测量设备、数据处理等。
5) 骚扰模拟, 包括骚扰条件的再现、骚扰机理的模拟研究等。
6) 抗扰度试验, 包括试验方法和试验标准。
7) 骚扰限值及有关法规。
8) 电力系统对其他系统的骚扰。
8 电力 系统电 磁兼 容
2 电 力 系 统 谐 波
电力工业的特点是发电、输电、变电、用电同时完成, 电力生产与电网运行应当遵循安
全、优质、经济的原则。电网的作用是向国民经济各部门及城乡居民提供合格的电能。因
此, 电力质量问题是电力公司、电气设备制造商和用户共同关心的问题。而电力系统中影响
电能质量的主要因素有: 谐波、谐间波、电压变化、电压暂降、短时中断、三相电压不平衡和电
源频率变化等。其中, 谐波是影响电能质量的重要因素之一, 它通常是由电网中的非线性元
件( 称之为谐波源) 产生的, 电网中的谐波对设备的运行会产生许多不利的影响, 因此, 谐波
对于电力系统来说, 是一种电磁环境的污染。
2. 1 电力系统的波形畸变
假如发电机产生的电动势是正弦波形, 而输变电设备及用电设备都是由线性元件所组
成的, 则这样的电力系统就不存在电压和电流的波形畸变问题, 然而, 实际电力系统中往往
或多或少存在着波形畸变。
电路理论告诉我们, 一个周期性的非正弦波可以用傅立叶级数分解成基波和一系列谐
波, 傅立叶级数的一般表达式为:
F( ωt) =
A
0
2
+
∑
∞
n = 1
( A
n
cos( nωt) + B
n
sin( nωt) ) ( 2-1)
式中,
0
=
1
π
∫
2π
0
……F( ωt) d( ωt)
A
n
=
1
π
∫
2π
0
……F( ωt) cos( nωt) d( ωt)
B
n
=
1
π
∫
2π
0
……F( ωt) sin( nωt) d( ωt)
n = 1, 2, 3, . . .
所谓谐波是指一个周期量的傅立叶级数中次数高于 1 的分量。
图 2-1 为含有 3 次谐波的电流波形及其波形分解。
波形的畸变程度常以其正弦波形的畸变率表示。各次谐波有效值的平方和的均方根值
和其基波有效值的百分比称为正弦波形的畸变率, 简称畸变率, 又称为总谐波畸变率。例如
电压波形畸变率为:
D
u
=
∑
∞
n = 2
U
2
n
U
1
× 100% ( 2-2)
式中, U
n
表示第 n 次谐波电压的有效值;
92 电 力系 统谐波
图 2-1 含有 3 次谐波的电流波形及其波形分解
U
1
表示基波电压的有效值。
许多国家规定低压供电电压的畸变率应限制在 5% 以下, 其目的 在于 避 免谐 波对 用电
设备产生不良的影响。
产生谐波的设备称为谐波源。电力系统中的谐波源是多种多样的。主要有以下几种:
1) 同步发电机( 谐波电压源) , 同步发电机产生的谐波电动势 是由于转 子和定子 之间空
气隙中的磁场非正弦分布所引起的。发电机每对磁极下气隙中的磁场不可能完全按正弦分
布, 这是由磁极的结构所决定的, 因此, 电动势中必然含有谐波分量。另外, 由于定子开槽引
起气隙中磁通密度分布不均匀, 齿下的气隙较小, 磁通密度较大; 槽口处的气隙较大, 磁通密
度较小, 从而使电动势中产生附加的谐波分量, 这种谐波称为齿谐波。
发电机产生的谐波电动势可以通过改善电机结构减少其幅值, 也可以通过不同的接线
方式消除其中的某几次分量, 如采用星形接线方式, 可以消除线电势中 3 的倍数次谐波。如
采用三角形接线方式虽然可以消除线电流中 3 的倍数次谐波, 但是, 这些谐波在绕组中形成
环流增加了损耗, 降低了发电机出力, 故一般不采用三角形接线方式。
根据 IEC 的规定, 发电机端电压的波形畸变率不得大于 5% 。因此, 通常可以认为发电
机的电动势是正弦波形而忽略其谐波分量。
2) 变压器( 包括铁心电抗器) 。变压器的励磁回路具有非线性电感, 因此, 励磁电流是
非正弦波形。在额定负载下, 励磁电流只占总电流的 5% 左右, 电流波形接近正弦波, 波形
畸变可以忽略。在空载时, 非正弦的励磁电流在变压器原绕组的漏抗上产生压降, 使变压器
感应电势中包含谐波分量。变压器空载合闸时, 常常会出现很大的励磁涌流。涌流的大小
取决于铁心材料、剩磁大小和合闸初相角。在严重的情况下, 涌流波形强烈畸变, 不但幅值
可高达数十倍于额定空载电流, 而且正负半波的波形极不对称。这种涌流持续时间比较长,
属于准稳定的非正弦波。
3) 大功率可控整流设备。这类设备的典型代表是高压直流输电中的换流阀( 包括整流
阀和逆变阀) 。由以后的分析可以知道, 整流设备交流侧的电压和电流的波形都不是正弦
波。直流侧的电压和电流严格地讲也不是平滑恒定的直流。换句话说, 整流设备的交、直流
两侧都含有谐波电压和谐波电流。交流侧基波电压在一个周期内的换相次数称为脉动数
( 或换相数) , 直流输电中常用的脉动数是 6 或 12。
设一个脉动数为 p 的换流阀, 在它的直流侧产生 n = kp 次谐波电压, 而它的交流侧则产
01 电 力系统 电磁 兼容
生 n = kp ±1 次谐波电流, 其中 k 是任意正整数。这些谐波称为换流阀的特征谐波。除此之
外的其他频率的谐波称为非特征谐波。特征谐波是整流设备产生波形畸变的主要成分。增
加脉动数可以提高特征谐波的频率, 而各次谐波的幅值是与谐波频率成反比的。这样就有
效地减小了波形的畸变率, 改善了波形。另外, 通过选择适当的变压器接线方式、在交流侧
加装滤波器、直流侧串联电感量很大( 0. 1 ~1H) 的平波电抗器等措施, 可以大大地抑制谐波
电压和谐波电流。然而, 由于直流输电系统的电压等级高、输送功率大, 即使百分数很小的
谐波分量也会对低压设备及弱电设备产生不可忽视的骚扰。
4) 其他非线性用电设备。随着国家工业化水平的提高和家用电器的普及, 用整流 元、
器件及其他非线性元件构成的用电设备越来越多地引进电力系统。这些设备大至大功率的
冶炼设备( 如电弧炉) 、电解槽、电气化铁路等, 小至家用电器中的电视机、荧光灯、充电器、
节能调光灯等, 它们都构成了大大小小的谐波源, 给电力系统造成谐波污染。
上述谐波源中除发电机为谐波电压源外, 其他均为谐波电流源。对于谐波电流源的设
备来说, 即使供给它们的电压是理想的正弦波, 它们所取用的电流中也会含有谐波成分。谐
波的含量取决于它们本身的特性和工作状况, 基本上与电力系统的参数无关, 因此可以看作
恒流谐波源。谐波电流注入电力系统后, 在系统的阻抗上引起谐波压降, 会使电力系统中各
点的电压产生波形畸变。
电力系统中的谐波对一次和二次设备的运行会产生许多有害的影响, 这些影响我们将
在第 3 章详细分析。
电力系统谐波已经成为电力系统中一个值得重视的问题。世界各国的电力主管部门都
在积极研究并制定相应的对策, 一方面采取各种措施抑制或消除谐波的产生; 另一方面制定
标准规定谐波的限值。下面简要介绍电力系统中主要的谐波源及其产生谐波的机理。
2. 2 大功率可控硅整流器产生的谐波
2. 2. 1 交流电流中的特征谐波
首先从三相六脉动整流电路入手进行研究。其电路图如图 2-2 所示, 6 个可控硅整流器
组成 6 个桥臂, 分上下两部分, 可控硅依靠触发导通, 其触发角滞后于自然导通角的角度, 称
为控制角 α。在导通期间, 上下各有一个桥臂导通。因此, 每个桥臂的导通角为 2π/3, 由一
个桥臂导通换为另一个桥臂导通的过程称为换相过程。在图 2-2 的电路中, 在电 源电 压的
一个周期内有 6 次换相( 上桥臂和下桥臂各有 3 次) , 所以称为六脉动整流。在换相的过程
中, 由于交流电源存在电感, 换相不能瞬间完成, 因此需要一定的时间。这段时间以角度表
示, 称为换相重叠角 γ。在换相期间, 将有 3 个桥臂同时导通, 其中一个桥臂通过的电流由
原来的 I
d
逐渐减小, 直至等于零( 完全截止) ; 另一个桥臂的电流则由零逐渐增大, 直至等于
I
d
; 第三个桥臂在换相期保持导通状态不变。
各个桥臂的导通情况以及交、直流电压和交流各相电流的变化波形, 如图 2-3 所示。
对于大功率整流设备, 如直流输电中的换流站, 由于平波电抗器的电感很大, 故整流电
流十分接近于恒定电流。
下面分析一下交流侧电流的波形。为了抓住问题的本质, 同时便于理解, 首先研究理想
112 电力 系统 谐波
图 2-2 三相六脉动整流电路接线图
情况。为此, 作以下假设:
1) 电源为理想的三相平衡系统, 并以 A相电压为基准, 即 u
A
= U
m
sinωt;
2) 整流器为理想元件, 其正向电阻为零, 反向电阻为无穷大;
3) 交流电路的电感为零, 即换相重叠角, γ=0;
4) 控制角 α=0, 即相当于不可控整流。
图 2-4 为 A相电压和 A相电流的波形, 电流 波形由 正负 两个 序列的 方波 组成。方 波的
幅值等于 I
d
, 方波的宽度等于 2π/3, 正负波形对横轴对称, 即
i
a
( - )
( ωt) = - i
a
( + )
( ωt + π) ( 2-3)
式中, i
a
( + )
可以根据式( 2 - 1) 展开成傅立叶级数。考虑到 i
a
的波形是对横轴对称的, 而且
选择 A相电压为基准, 坐标原点的确定恰好使 i
a
成为对坐标原点对称的函数。根据傅立叶
级数的性质, 知对横轴对称的函数, 级数中不包含偶次谐波项; 对原点对称的函数, 级数中不
包含余弦函数。另外, 这两种函数中都不含常数项, 可以推断, i
a
( + )
级数中的常数项、余弦
项最终被抵消, 正弦项中的偶次谐波也不复存在。因此, 为了简化运算, 用一个新函数 I
a
( + )
代替 i
a
( + )
, I
a
( + )
是一个只包含正弦函数项的级数, 即
I
a
( + )
=
∑
∞
n = 1
B
n
sinnωt ( 2-4)
式中, B
n
=
1
π
∫
2 π
0
……i
a
( + )
sinnωtd( ωt) =
1
π
∫
5 π/6
π/6
……I
d
sinnωtd( ωt) =
2I
d
nπ
sin
n
2
πsin
n
3
π
分析 B
n
可以看出, 当 n 等于偶数以及等于 3 和 3 的倍数时, B
n
均等于 0。由此可以写
出 I
a
( + )
的傅立叶展开式为:
I
a
+
( ωt) =
3
π
I
d
( sinωt -
1
5
sin5ωt -
1
7
sin7ωt +
1
11
sin11ωt
+
1
13
sin13ωt -
1
17
sin17ωt -
1
19
sin19ωt + …) ( 2-5)
21 电 力系统 电磁 兼容
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