谐波治理的必要性及案例分析.pdf
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收稿日期:
2009-06-06作者简介:
查慧勤(1971-),女,安徽安庆人,毕业于合肥学院,学士,工程师。
0引言近年来,电气产品行业出于节能和生产的需要,积极运用新技术,大量地应用了可控变流装置、变频调速装置等非线性负荷设备。
其所产生的谐波问题直接影响到了公用电网的电能质量,已经引起人们的广泛重视。
笔者作为民用建筑电气设计师,在经常涉及的工程中,3、5、7次谐波较为常见,其中3次谐波较为严重。
本文将以3次谐波的成因分析和治理内容为主。
1三次谐波产生的原因及影响1.1谐波的成因电网中的谐波主要指频率为工频(基波频率)整数倍成分的谐波及工频非整数倍成分的间谐波。
它们都是造成电网电能质量污染的重要原因。
电网中的三次谐波是谐波影响的主要成分之一,根据大量现场测试的分析结果证实,电力变压器也是电力系统中三次谐波的一个重要谐波源。
电力变压器的激磁电流、铁心饱和及三相电路荷磁路的不对称,致使在变压器三角绕组的线电压和线电流中也仍然存在三次谐波分量,尤其在负荷低谷时,随着电网电压的升高,变压器铁心饱和程度加剧,产生的三次谐波含量也随之增大。
随着电网大量电容装置的投运,通过对现场谐波实测发现,三次谐波并不是只有零序分量可被变压器三角绕组所环路,而是波及全网,并给电容装置及电网的正常运行带来影响和威胁。
例如,电容装置盲目采用串联电抗率为56的电抗接入电网后,引起三次谐波的放大和导致发生谐振的情况,已为大量的现场事故案例所证实。
三次谐波的产生,在民用建筑中,UPS电源、电子调速装备、节能型灯具及家用电器中的计算机、微波炉等电力电子设备和电器设备应用的大量增加,以及医院等特殊场合的放射X光机、CT机等大型医疗设备等,使各类非线性负荷注入电网的谐波日益增多,造成电网电能质量的污染的影响也越来越大。
在这些设备集中使用的地区,如医院、大型商场、居民小区、写字楼、酒店公寓等,谐波污染已相当严重。
谐波污染的影响使电能质量明显下降,因此,对电能质量谐波污染的抑制和治理已刻不容缓。
1.2谐波源的分析1.2.1电力电子设备电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统等。
由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路,如整流和变频电路,其负载性质一般分为感性和容性两种,感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源。
而容性负载的单相整流电路,由于电容电压会通过整流管向电源反馈,属于电压型谐波源,其谐波含量与电容值的大小有关,电容值越大,谐波含量越大。
变频电路谐波源由于采用的是相位控制,其谐波成分不仅含有整数倍数的谐波,还含有非整数倍数的间谐波。
1.2.2可饱和设备可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。
可饱和设备是非线性设备,其铁心材料具有非线性磁化曲线和磁滞回线,在正弦波电压的作用下,励磁电流为对称函数,应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项,对于三相对称的变压器,3次谐波的奇数倍(3次,6次,9次)谐波均为零序,可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。
变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响,谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程序越高,谐波电流就越大。
与电力电子设备和电弧设备相比,可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下,其谐波的幅值往往可以忽略。
1.2.3电弧炉设备及气体电光源设备电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。
气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯。
根据这类气体放电光源的伏安特性,其非线性特性十分严重,同时含有负的伏安特性。
而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联,并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。
由于镇流器的非线性谐波治理的必要性及案例分析TheNecessityofHarmonicSuppressionandCaseStudy查慧勤(安徽省建筑设计研究院,安徽合肥230001)摘要:
随着科技发展,电子产品大量应用,电网中的谐波大量产生,作为设计人员需要了解谐波的成因及危害,以便更好的预防及治理,提高电能质量。
关键词:
谐波;谐波成因;谐波影响;谐波治理;项目分析中图分类号:
TM931文献标识码:
B文章编号:
1007-7359(2009)04-0126-03ZhaHuiqin(AnhuiArchitecturalDesign&ResearchInstitute,Hefei230001,China)Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theexpansionofdigitalproductshasgeneratedgreatamountofharmonicwavesintotheelectricgrids.Sotheelectricdesignersshouldknowhowtheharmonicformsandharmsinordertobetterpreventandavoidharmonicfromtheelectricgridsandimprovethequalityofpower.Keywords:
harmonic;formationofharmonic;influenceofharmonic;harmonicsuppression;casestudy2009年第4期(总第167期)安徽建筑126相当严重,其中三次谐波含量在20以上,其特性为对称函数,只含有奇次谐波,所以气体电光源设备属于电流源型谐波源。
1.3谐波对各方面的影响1.3.1对电网的影响造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热灯,特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流,使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值,造成设备的不安全运行。
谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振,使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。
引起变电站局部的并联或串联谐振,造成电压互感器灯设备损坏;造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗,引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热,电容器损坏,并加速绝缘材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长,影响断路器的开断容器;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作,降低通信质量;增大附加磁场的干扰等。
1.3.2对用电安全的影响火灾影响。
一些建筑物突发性火灾已被证明与电力谐波有关。
目前,节能灯、调光器和电器设备中开关电源应用的很普遍,本意是节能,但这些终端设备作为谐波源,对电网的危害很大。
经有关部门测定,应用电器设备较多的酒店、商厦、网吧、计算机房、居民小区等,在没有采取滤波等措施前,中性线电流都很大,有些甚至超过相电流,导致过热成为形成火灾事故的重大隐患。
设备影响。
电能质量的污染对继电保护、计算机系统和精密制造业的精密机械或仪器等,都可能影响正常的运行、操作,降低设备使用寿命,甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故,造成不同程度的影响和损害。
通信影响。
谐波是电网干扰通信的重要因素,主要通过静电感应(电容耦合,电压作用)和电磁感应(电流作用),在通信线路上产生声频干扰。
谐波频率高时,会发生杂音,在通信线路上引起音频干扰,严重时还可能触发电话铃响。
采用屏蔽电缆通信,虽可消除静电感应的影响,但不能消除电磁感应的干扰。
同时,对于存在多个中性点接地的配电网络,当三相负载不对称时,零序电流将对利用大地作参考电位的通信系统,造成参考电位漂移而产生干扰。
1.3.3对各类电气设备的影响对电力电容器的影响。
电网无功配置容量中电容器所占比例最大,其中用户电容器约占全部电容器的2/3。
这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量,不考虑装设点电能质量的实际污染情况。
因此,运行点电能质量指标低时,常造成一些事故,如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断,甚至发生串并联谐振,引发电容器的谐波过电压与过电流,导致电容器爆炸等。
另外,用户电容器的管理目前仍按平均功率因数进行考核,电容器很少按电网实际运行情况投切,甚至只投不切,无形中使电网电压失去了应有的调节裕度,使电压偏差等电能质量指标难以控制。
对变压器的影响。
谐波电流使变压器的铜耗增加,引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热等。
谐波电压引起的附加损耗使变压器的磁滞及涡流损耗增加,当系统运行电压偏高或三相不对称时,励磁电流中的谐波分量增加,绝缘材料承受的电气应力增大,影响绝缘的局部放电和介质增大。
对三角形连接的绕组,零序性谐波在绕组内形成换流,使绕组温度升高。
变压器励磁电流中含谐波电流,引起合闸涌流中谐波电流过大,这种谐波电流在发生谐振时的条件下对变压器的安全运行将造成威胁。
对同步发电机的影响。
用户的负序电流和谐波电流注入系统内的同步发动机,将产生附加损耗,引起发电机局部发热,降低绝缘强度。
同时,由于输出的电压波形中产生附加谐波分量,使负载的同步发电机转子发生扭振,降低其工作寿命。
对断路器的影响。
谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作,断路器的遮断能力降低,不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流,对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象,导致断路器触头烧损。
对自动控制装置的影响。
随着数字控制技术的大规模使用,很多精密负载对受电电能质量指标提出了更高的要求。
电能质量污染对这类设备的危害主要有三个方面,即在设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。
另外还会对设备的硬件,如精密电机、开关电源等造成不可逆转的损坏。
干扰负载的保护回路,造成误动作等。
2谐波治理的方式与措施综上所述,由于谐波对电力系统及用户的诸多影响与危害,必须采取有效的措施来抑制电力系统中的谐波,目前国内外主要的治理措施有以下两种。
2.1传统的谐波抑制方法无源滤波器电力无源滤波器即在电容器上串联电抗器组成,其优点是结构简单、运行可靠、维修方便,除滤波外还兼有无功补偿的功能,容量可设计成很大,与有源滤波器相比,成本较低,现广泛采用。
但是,无源滤波器同时也存在缺点,一方面是无法对动态变化的谐波有针对性进行滤除;另一方面是滤除效果一般,只能达到50%60%的程度。
2.2新型的谐波抑制方法有源滤波器有源电力滤波器是一种新型谐波抑制和无功补偿装置,它不同于传统的无源滤波器(只吸收固定频率的谐波),它实质上是一种大功率波形发生器,它把谐波源发出的谐波经过采样、180移相后,再完整的复制出来,并送到谐波源的入网点,复制的谐波与谐波源产生的谐波幅值相等、方向相反,并跟随谐波的变化而变化,如此,谐波源产生的谐波就完全被抵消了。
有源滤波器按照其接入电网的方式,可分为两大类,即串联有源滤波器和并联有源滤波器。
近年来为了发挥有源滤波器的优势,又设计出串联混合型和并联混合型有源滤波器。
有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点,但因为应用了大功率电力电子器件,其有功损耗较高,综合成本比无源滤波器高出很多,故此在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。
随着微电子控制(下转第151页)查慧勤谐波治理的必要性及案例分析第16卷第4期127材料质量的控制,严把进场材料质量的验收关、材料见证取样和送检关、新材料的使用关,彻底杜绝劣质材料进工地,禁止使用不合格或已被淘汰的材料,积极推广使用新材料,确保施工材料的合格、优质。
4.5加强施工工序质量控制实践证明,科学合理的施工工序是提高施工质量的又一个重要保证。
很多质量低劣和安全事故的重要原因是乱抢进度,违背合理的施工工序,给工程质量造成隐患。
因此,要加强对施工工序的质量控制。
对工序活动条件的控制,主要是对影响工序施工质量的各因素进行控制。
对工序活动效果的控制,主要是对施工质量性能特征、指标的控制,并进行实测、分析、判断、纠正或认可等。
4.6建立工程质量控制制度进一步健全和完善工程建设施工质量控制制度,使施工质量控制制度化、规范化、科学化,以建成更多更好的优质工程,满足经济社会发展和人民群众物质文化生活的需要。
建设监理制是我国改革开放后建设领域中的一项新制度,是深化建设管理体制改革、发展社会主义市场经济的重要措施。
事实已反复证明,在工程建设监理中,加强施工质量控制,是提高工程质量水平、发挥投资效益和实现工程质量控制、投资控制和工期控制的“三大目标”的有效途径。
器和电力半导体器件的发展,有源电力滤波器的性价比会越来越高,而用于LC无源滤波器的电容和电抗的价格却是呈增长的趋势,因此有源电力滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。
3项目实例分析在笔者设计的工程中,相比较而言,医院因其特殊性,对电能质量有着更高的要求。
因此,在近期的太和人民医院项目设计时,笔者着重对谐波源进行了分析,在充分考虑县级医院经济承受能力的同时,采取了行之有效谐波治理措施。
3.1项目谐波分析医院配电系统一般是10/0.4kV主变压器,主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等。
其中大部分为单相非线性负荷,低压配电网上谐波严重,主要谐波源可分为下面几种。
通风设备:
为了节约能源,医院均采用变频风机及空调。
变频器是非常重要的谐波源,其总谐波电流畸变率达33%以上,会产生大量5、7次等的谐波污染电网。
照明设备:
由于医院内部使用大量的荧光灯具,因此会引起严重的谐波电流,其中3次谐波为最高,当多个荧光灯接成三相四线负载时,中线上就会流过很大的三次谐波电流。
电子医疗精密设备:
医院内的大型电子医疗设备一般为开关电源供电,开关电源设备会产生3、5、7次等谐波注入电网。
计算机及UPS:
目前医院均为计算机网络管理,计算机的数量很大,此外服务器等数据存储系统必须配有UPS等备用电源。
个人电脑的开关电源及UPS均为谐波源,会产生大量的3、5、7次等谐波。
总之,医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷,会产生大量的3、5、7次等谐波,严重污染电网。
大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题,必须要治理谐波。
3.2治理方案针对医院的具体情况,以治理谐波污染为目的。
首先是确保患者及医护人员的安全,即通过有针对性的谐波污染治理,减少甚至消除其对配电系统的不良影响,保证变压器、电缆、医疗设备的正常运行;其次体现直接经济效益,即保障低压电容补偿系统的正常运行,发挥其应有的作用,降低低压配电系统中谐波总体含量的水平,提高功率因数,减少无功损耗,延长设备使用寿命。
根据这一目的,拟采用有源滤波器+无源滤波补偿装置混合滤波的方案。
此方案在安全补偿无功功率的同时,用有源滤波器治理谐波,是针对医院配电系统谐波治理及无功补偿的最佳方案。
但是由于有源滤波器造价太高,业主无法承受,在此情况下,笔者采取以下办法解决。
在配电设计时,将空调、风机等大型非线性设备单独设变压器,且照明、办公等谐波产生较严重的用电各自单独组成回路,将对电能质量要求较高医疗设备等单独组成回路,避免在同一回路上相互干扰。
在开闭所采用无源滤波方式进行集中消谐,选用电抗系数为14%,滤除3次谐波为主的滤波补偿组件,将整个配电网络的谐波量抑制在40%以下,虽然电网内仍然有谐波存在,但有效保证了整个电网的安全运行和医疗设备的正常使用。
更因为对谐波的滤除,减少了谐波对电容器的损害,大大延长了电容器的使用寿命,也间接避免了电容器频繁损坏更换时停电带来的损失。
从上可以看出,采取无源滤波方式进行谐波治理,从供电可靠性和连续性提高所带来的直接的生产效益,避免由于谐波导致的设备老化、降容和损坏而产生提前更换,为医院节省电气投资成本是谐波治理最大的收益。
同时,降低了变压器、母线和电缆等各种损耗。
避免了由于谐波导致功率因数下降,而受到供电局的罚款;或直接的谐波超标罚款。
另外,因为谐波也会产生有功功率和无功功率,消除谐波后,直接带来的好处就是电费的降低,降低医院的生产经营成本。
目前,该医院已投入运营,整个配电系统运行正常。
4结语综上所述,随着时代的变化,新事物、新产品不断推陈出新,加之高新技术的不断应用,随之而来的是用电环境越来越复杂。
本文仅是在谐波污染方面进行了一些浅述,由此可以看出,谐波的治理虽然会需要一定的资金投入,但从长期来看,对设备的保护所带来的经济效益是十分明显的,在用电安全方面的改善所带来的社会效益也是十分显著的。
2009年8月(上接第127页)!
建筑监理151
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