電力係統諧波對金屬化膜電容器老化的影響

1.概述

目前，電網中諧波乾擾大量湧現，諧波問題日趨複雜，因此這方麵課題也越來越受到研究者的重視。諧波的產生與近年來非線性設備的大量采用有很大關係，另外廣泛應用的傳統變壓器和鐵芯電抗器也會產生諧波。國外經驗表明，各種非線性電力設備容量的增長率超過電網的發電設備容量的增長率【1】，這一事實說明諧波問題更加突出。諧波的存在會影響整個電網環境，對電力設備以及絕緣造成不利影響。比如，諧波會使電廠設備絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。國內外運行經驗表明，受諧波影響而致損壞的電氣設備中，電力電容器占有*大比例【1】。現在，金屬化膜電容器以其良好的自愈性能在電力係統中得到廣泛的應用，因此，有必要了解諧波對金屬化膜電容器壽命的影響。本文將介紹電力係統中諧波以及它對金屬化膜電容器壽命的影響。

2.諧波的產生

電力係統中產生諧波的源主要來自各種非線性用電設備，例如：電力電子裝置，電弧爐，家用電器，以及變壓器和鐵芯電抗器等。在電力電子裝置大量應用之前，*主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發電機，而在電力電子設備大量應用之後，後者成為*主要的諧波源【2】。

在各種電力電子裝置中，整流設備所占的比重*大，目前，常用的整流電路大都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，比如直流側采用電容濾波的二極管整流電路，這種電路輸入電流的基波分量的相位與電源電壓相位大體相同，因此基波功率因數接近於1，但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重汙染，也使得總的功率因數很低。除此之外，逆變器、直流斬波器的應用也較多，這些裝置所需的直流電源主要來自整流電路，因而諧波問題也很嚴重。例如，圖1。A所示的整流器其直流側M、N點電壓和交流側A相電流波形如圖1。B【3】。可以看到交流側的電流是一段的梯形波，而直流側的電壓也含有紋波，這說明整流器在交流側和直流側都要產生高次諧波。

變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性引起的。加在變壓器上的電壓通常是正弦電壓，因此鐵芯中磁通也是按照正弦規律變化的，但是由於鐵芯磁化曲線的非線性，產生正弦磁通的勵磁電流也隻能是非線性的，如圖2。圖中勵磁電流已經變為尖頂波了，進行傅立葉分析可知，其中含有全部奇次諧波，以3次為*大。

此外，還有許多諧波源，比如電視機、熒光燈、個人計算機等，它們雖然單台功率很小，但其龐大的數量所帶來的諧波汙染也是十分嚴重的。

3.諧波對電力設備以及絕緣的損害

電能質量指標包括頻率、電壓和波形【3】。交流電的波形是衡量電能質量的一個重要指標，標準交流電的波形應該是正弦波，但是由於電力係統中有諧波源的存在，使電壓和電流中都含有一些諧波分量。諧波的存在對電網是一種汙染，它使電力設備所處環境變化，也對周圍的通信係統和公用電網以外的設備帶來損害，其危害主要有以下幾個方麵：

（1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。

（2）諧波影響各種電力設備的正常工作，比如，諧波會使電機產生附加損耗、機械振動和過電壓；會使變壓器局部過熱；使電容器、電纜等設備絕緣老化、壽命縮短以至損壞。

（3）諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，加重上述（1）、（2）所帶來的危害。

（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表不準確。

由於諧波的存在會對電網造成危害，因此把諧波分量降低到容許的範圍內是保證電能質量的一項重要任務。我國對電網諧波電壓的限值如表1所示。

4.諧波對金屬化膜電容器老化的影響

金屬化膜電容器已大量應用於電力係統中，在很多情況下，比如作為KYTBB並聯成套裝置的無功補償或者作為濾波器消除諧波，它都是在諧波乾擾下運行，因此，研究諧波對金屬化膜電容器壽命的影響十分重要。

具有諧波分量的試驗電壓U可由式（1）表示：

U（T）＝UM【SIN（ωT＋ψ）＋αSIN（HωT）】（1）

式中，ψ為基波與諧波的相位差，H為諧波次數，α為諧波的峰值係數（即諧波峰值與基波峰值的比值）。

諧波的存在會改變電壓波形，這不僅取決於諧波次數和諧波的峰值，而且與式（1）中基波與諧波的相位差ψ有關。

諧波會對電力設備絕緣產生加速老化效應，文獻【4】在將諧波加於金屬化膜的實驗中，得到了如表2的金屬化膜的壽命數據。

從表2可以看出，當諧波改變電壓波形使峰值增大時（3次諧波在ψ＝180°、5次諧波在ψ＝0°時電壓峰值*大），膜壽命會顯著減小，可見，電壓峰值對金屬化膜的壽命有較大影響。

5.諧波影響金屬化膜電容器的主要因素

文獻【5】對KYLBC低壓自愈式電容器在室溫下進行了老化實驗，目的是要找出諧波影響金屬化膜電容器壽命的主要因素。實驗采用了一個可以線性調至1000HZ電源，分12組進行，每組電壓為基波與某次諧波分量的疊加。為了突出諧波的作用，加速老化，選擇諧波幅值大於基波幅值（這種情況在電網中也是存在的，比如並聯諧振可以將在換流器交流側的諧波放大幾倍）。

考核電容器的性能，通常以電壓均方根值為標準，國際標準規定金屬化膜電容器應能在工頻1.1倍額定電壓下長期運行，因此電壓均方根值的大小顯然是壽命的影響因素之一。此外我們也可以從表3中看出電壓峰值對壽命的影響，比如：第1組和第3組的電壓均方根值相同，但是第1組的電壓峰值比第3組的大的多，導致壽命明顯減少，第2組和第6組、第7組和第8組都表明電壓峰值對加速電容器老化的顯著影響。同時也可以從表中看到電壓波斜率對壽命的影響，如第1組和第5組，電壓均方根值和峰值均相同，但體現電壓波斜率的IRMS（I＝C×DU／DT）不同，也會導致壽命的不同。電壓波斜率越大，波形越尖銳，電容器壽命也就越短，同樣第3組和第9組的比較也證明了這一點。因此，可以歸納出諧波影響金屬化膜電容器壽命的三個因素：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。而且，進一步的研究表明，這三個因素中，電壓峰值的影響*大，均方根值的影響次之，而電壓波斜率的影響*小【4】。

6.結論

（1）隨著非線性電力設備的廣泛應用，電力係統中諧波問題日趨嚴重，諧波的存在會對電力設備造成損壞，加速絕緣老化。

（2）諧波疊加後的電壓峰值對金屬化膜電容器老化有很大的影響，研究表明，對於金屬化膜電容器，諧波對其壽命的主要影響因素為：電壓峰值、電壓均方根值和電壓波斜率。其中峰值對它壽命的影響*大。