摘 要:电能是一种特殊性质的能源,通过电网进行输送和分配。发电厂将近似“洁净”的50Hz电压送入电网,供给用户使用。在电能的输送过程中,由于某些因素的影响,可能会使电压发生改变。大多数用户几乎察觉不到电压的瞬时改变,但有些对电压比较敏感的电气设备,近年来,电力网中非线性负载的逐渐增加是全世界共同的趋势,如变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、重要负载所用的不间断电源(UPS)、节能荧光灯系统等,这些非线性负载将导致电网污染,电力品质下降,引起供用电设备故障,甚至引发严重火灾事故等。世界上包括我国的一些建筑物突发火灾被证明与电力污染有关。
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一、电源污染的危害
电源污染会对用电设备造成严重危害,主要有:
A、干扰通讯设备、计算机系统等电子设备的正常工作,造成数据丢失或死机。
B、影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能,造成噪声干扰和图像紊乱。
C、引起电气自动装置误动作,甚至发生严重事故。
D、使电气设备过热,振动和噪声加大,加速绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。
E、造成灯光亮度的波动(闪变),影响工作效益。
F、导致供电系统功率损耗增加。
二、电源污染的种类
1、电压波动及闪变
电压波动是指多个正弦波的峰值,在一段时间内超过(低于)标准电压值,大约从半周波到几百个周波,即从10MS到2.5秒,包括过压波动和欠压波动。普通避雷器和过电压保护器,完全不能消除过压波动,因为它们是用来消除瞬态脉冲的。普通避雷器在限压动作时有相当大的电阻值,考虑到其额定热容量(焦尔),这些装置很容易被烧毁,而无法提供以后的保护功能。这种情况往往很容易忽视掉,这是导致计算机、控制系统和敏感设备故障或停机的主要原因。
另一个相反的情况是欠压波动,它是指多个正弦波的峰值,在一段时间内低于标准电压值,或如通常所说:晃动或降落。长时间的低电压情况可能是由供电公司造成或由于用户过负载造成,这种情况可能是事故现象或计划安排。更为严重的是失压,它大多是由于配电网内重负载的分合造成,例如大型电动机、中央空调系统、电弧炉等的启停以及开关电弧、保险丝烧断、断路器跳闸等,这些都是通常导致电压畸变的原因。
大型用电设备的频繁启动导致电压的周期性波动,如电焊机、冲压机、吊机、电梯等,这些设备需要短时冲击功率,主要是无功功率。电压波动导致设备功率不稳,产品质量下降;灯光的闪变引致眼睛疲劳,降低工作效率。
2、浪涌冲击
浪涌冲击是指系统发生短时过(低)电压,即时间不超过1毫秒的电压瞬时脉冲,这种脉冲可以是正极性或负极性,可以具有连串或振荡性质。它们通常也被叫作:尖峰、缺口、干扰、毛刺或突变。
IBM公司对电压畸变进行了深入研究,结果如下:
电网中的浪涌冲击既可由电网内部大型设备(电机、电容器等)的投切或大型闸管的开断引起,也可由外部雷电波的侵入造成。浪涌冲击容易引起电子设备部件损坏,引起电气设备绝缘击穿;同时也容易导致计算机等设备数据出错或死机。
3、谐波
线性负载,例如纯电阻负载,其工作电流的波形与输入电压的正弦波形完全相同,非线性负载,例如斩波直流负载,其工作电流是非正弦波形。传统的线性负载的电流/电压只含有基波(50Hz),没有或只有极小的谐波成分,而非线性负载会在电力系统中产生可观的谐波。
谐波与电力系统中基波叠加,造成波形的畸变,畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。非线性负载产生陡峭的脉冲型电流,而不是平滑的正弦波电流,这种脉冲中的谐波电流引起电网电压畸变,形成谐波分量,进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流。
计算机是此类非线性负载之一,象绝大多数办公室电子设备一样,计算机装有一个二极管/电容型的供电电源,这类供电电源仅在交流正弦波电压的峰值处产生电流,因此产生大量的三次谐波电流(150Hz)。其它产生谐波电流的设备主要有:电动机,变频调速器,固态加热器,和其他一些产生非正弦波变化电流的设备。
荧光灯照明系统也是一个重要的谐波源,在普通的电磁整流器灯光电路中,三次谐波的典型值约为基波(50Hz)值的13%-20%。而在电子整流器灯光电路中,谐波分量甚至高达80%。
三、谐波的危害
以前由于接入供电系统的非线性设备较小,在系统中引起的谐波电流也很少,所以对电力质量的影响不大。随着电子技术的发展,使用大功率半导体开关器件以及各类开关电源的产品,如电视机、空调器、节能灯、调光器、洗衣机、微波炉、信息技术设备等迅速涌入居民家庭。虽然每台设备向电网注入的谐波电流不大,但这些设备数量大、分布广。有些家用电器如电视机、空调器等在使用时段具有集中的特点,在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出,这不但使接入该电网的设备无法正常工作,甚至造成故障,供电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面:
1、增加了发、输、供和用电设备的附加损耗,使设备过热,降低设备的效率和利用率。
由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,因集肤效应的作用,使导体对谐波电流的有效电阻增加,从而增加了设备的功率损耗、电能损耗,使导体的发热严重。
1)旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等,随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中,用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此,谐波使用户电动机总的附加损耗增加是其对电力系统最显著的影响。由于电动机的出力一般不能根据发热情况进行调整,由谐波引起,谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大,但谐波会产生显著的脉冲转矩,可能出现电机转轴扭曲振动的问题,这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振,并使汽轮机叶片产生疲劳循环。
2)变压器的影响
谐波电流使变压器的铜耗增加,特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组过热;对全星形连接的变压器,当绕组中性点接地,而该侧电网中分布电容较大或者装在中性点接地的并联电容器时,可能形成3次谐波谐振,使变压器附加损耗增加。
3)对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高,会加速电容器的老化,使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加,从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面,电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时,就会产生谐波电流放大,使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
2、影响继电保护和自动装置的工作和可靠性
谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重,这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置,整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源),则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸,则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动,母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动,严重威胁电力系统的安全运行。
3、使测量和计量仪器的指标和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的,当供电电压或负序电流中有谐波成分时,会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下,谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能,从而谐波源虽然污染了电网,却反而少交电费。另一方面,在线性负荷用户处,电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能,这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏,而且还要多交电费。所以,电子式电能表更不利用于供电部门而有利于非线性负荷用户。
a)干扰通信系统的工作
电力线路上流过3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合,在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统的工作,影响通信线路通话的清晰度。而且在谐波和基波的共同作用下,触发电话铃响,甚至在极端情况下,还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产品的电磁噪声(3-10KHz)会干扰电力载波通信的正常工作,并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误,影响电网运行的安全。
b)对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变,画面亮度发生波动变化,并使机内的元件出现过热,使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说,会在一定参数的配合下,形成某次谐波频率下的谐振,使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置,谐波可能使晶闸管误动作,或使控制回路触发。
4、谐波对传统电容无功补偿柜的的影响。
(1)过负荷
由于谐波电流的作用,使电容器组承受了比基波时增大了的电流和电压,这样就对电容器组产生了过负荷。IEC标准和国标GB3983-83规定,电容器工作电流Ic、电压Uc应满足:Ic≤1.3INC,Uc≤1.3UNC(INC、UNC为电容器的额定值)。
(2)电容器介质老化
当电容器流过谐波电流时,会额外发热,同时谐波产生的电压会加速电容器的介质老化。
(3)谐波电流的放大作用
并联电容器除了受上述谐波的影响之外,盲目地投用并联电容器,会使电容器对谐波电流产生放大作用,造成更大的谐波畸变,这不仅使电容器本身在谐波大电流下过早损坏,而且电力系统也将承受谐波大电流的危害,这对整个系统是极其不利的。
A.电容器对谐波电流的放大作用:
流过电容器回路的谐波电流|Icn|和流过电力系统的谐波电流|Isn|均大于谐波电流|In|,所以错误地投用电容器会使谐波电流得到放大。
B.谐振
当NXS=XC/n时,则会构成谐振条件电路
产生谐振是非常不利的,即使谐振电流In较小,但也会被很大地放大,尤其是低次的谐波共振(由于低次谐波电流分量较大)产生的谐波电流非常大,这将对电容器造成严重的危害。
C.系统的谐振频率:
当nXs=Xc/n时,系统会产生谐振,由此我们可以求出电路谐振频率:
XC=U2/QC=1/2πfC
XS=U2/QC=2πfL
n=√SK/QC1/2πf√LC
其中Sk为供电母线的短路容量,Qc为接入的并联电容器组容量,U为母线电压。则谐振频率为:f0=√SK/QCf其中f为基波50Hz可以得出:Qc↑时f0↓,因此投入电容器越多,可能发生谐振的频率越低。
四、对无功功率补偿做如下方案:
(1)含有少量谐波电流系统
在6KV母线上的主要负载是高压电动机,因此谐波量较小。即使有高压变频调速装置,一般情况下都在变频调速装置输入端装有EMI滤波器及电抗器,所以高压变频调速装置向外发送的谐波量也较小。但普通电容器组仍不能被使用,因为电容器组仍有可能与系统形成并联谐振使谐波电流放大,应采用电容器串联电抗器方式进行补偿,即调谐电容器组补偿方式。调谐电容器组补偿方式能使此电容器组回路的申联谐振频率调低于最低次谐波,使其在基波时(50HZ)呈电容性,以提供所需的无功功率来改善功率因数,而在谐波频率时呈电感性.防止并联谐振的发生。电抗器和电容器的容量可决定串联谐振频率。串联6%电抗器时串联谐振频率被调低于204HZ。计算如下:
当XLn=XCn时,发生串联谐振
nXL=Xc/n
n=√XC/X2
其中XL、XC分别为基波时的电抗器和电容器的电抗值,XLn、XCn分别为n次谐波时的电抗器和电容器的电抗值。串联6%电抗器时。
XL/XC=6%n=√100/6=4.08
则串联谐振频率为:4.08×50HZ=204HZ
同样,我们可以通过串联不同的电抗器把串联谐振频率调谐于某一特定的频率,使其低于实际存在的最低次谐波频率。
一般情况下,电容器组根据补偿需要分组投入,因此每组电容器组均应串联6%的电抗器。电容器串联6%电抗器的调谐电容器组补偿方式,能满足无功功率补偿的要求,它能有效防止并联谐振的发生,但不能消除主要的谐波。400V母线上的无功功率补偿,如果谐波量较小时也可采用调谐电容器组补偿方式。
(2)含有大量谐波电流的系统
系统上如有大量的谐波电流;应该兼顾无功补偿和消除谐波两个方面,因此最好的方法是采用谐波滤波电容器组补偿方式。谐波滤波电容器组由电容器串联谐波电抗器组合而成。在基波(50HZ)时,产生电容性无功功率以改善功率因数达到无功补偿目的。电抗器的电感量,被选定于滤波器的谐波频率时形成串联谐振,使此电容器组在谐波频率时(5th、7th谐波…)形成非常低的阻抗(趋近于零),因此能吸收大部分的谐波电流达到消除谐波的目的。谐波滤波电容器组补偿方式示意如图。串联6%电抗器的调谐电容器组补偿方式较为简单,投资小,但它无法兼顾滤波。谐波滤波电容器组补偿方式将所有补偿电容器完全接在滤波器中,兼顾了无功补偿和滤波,是一种更合理可行的方案。在含有大量谐波电流系统中也可采用有源滤波器和无源滤波器组成的混合滤波器,抑制相应的高次谐波,并提供无功功率,滤波器应尽量装设在离谐波源最近的位置。
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