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工業電網中的諧波治理和無功補償

1、概述

  公共電網和工業電網中的諧波量逐漸增加是全世界共同的趨勢,很明顯地,這和工業應用及商用建筑大樓中大量使用非線性負載和設備有著直接的關系。這些非線性設備通常為晶閘管或二級管整流器諧波,它們將導致電網中的電力品質下降,?沙霈F在下列行業應用實例中!磷兯衮寗友b置(VSD),用于:-制造業和加工業-冶金工業中的感應加熱-商業建筑中的電梯、空調泵、風機×商業和工業建筑樓房中的計算機及其它重要負載所用的不間斷電源(UPS)

  2、諧波的影響

  2.1變壓器對變壓器而言,諧波電流可導致銅損和雜散損增加,諧波電壓則會增加鐵損。與純正基本波運行的正弦電流和電壓相較,諧波對變壓器的整體影響是溫升較高。須注意的是;這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升,進而導致變壓器的基波負載容量下降。而當你為非線性負載選擇正確的變壓器額定容量時,應考慮足夠的降載因子,以確保變壓器溫升在允許的范圍內。還應注意的是用戶由于諧波所造成的額外損失將按所消耗的能量(仟瓦一小時)反應在電費上,而且諧波也會導致變壓器噪聲增加。

  2.2電力電纜在導體中非正弦波電流所產生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相較,則非正弦波會有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應和鄰近效應所引起的,而這兩種現象取決于頻率及導體的尺寸和間隔。這兩種效應如同增加導體交流電阻,進而導致I2RAC損耗增加。

  2.3電動機與發電機諧波電流和電壓對感應及同步電動機所造成的主要效應為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導致電動機效率降低,并影響轉矩。當設備負荷對電動機轉矩的變動較敏感時,其扭動轉矩的輸出將影響所生產產品的質量。例如:人造纖維紡織業和一些金屬加工業。對于旋轉電機設備,與正弦磁化相比,諧波會增加噪音量。像五次和七次這種諧波源,在發電機或電動機負載系統上,可產生六次諧波頻率的機械振動。機械振動是由振動的扭矩引起的,而扭矩的振動則是由諧波電流和基波頻率磁場所造成,如果機械諧振頻率與電氣勵磁頻率重合,會發生共振進而產生很高的機械應力,導致機械損壞的危險。

  2.4電子設備電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感,這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點。這兩點對于不同類型的電力電子電路控制是至關重要的?刂葡到y對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控制系統失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設備的干擾。計算機和一些其它電子設備,如可編過程控制器(PLC),通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%,且個別諧波電壓畸變率低于3%,較高的畸變量可導致控制設備誤動作,進而造成生產或運行中斷,導致較大的經濟損失。

  2.5開關和繼電保護像其它設備一樣,諧波電流也會引起開關之額外溫升并使基波電流負載能力降低。溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。舊式低壓斷路器之固態跳脫裝置,系根據電流峰值來動作,而此種型式之跳脫裝置會因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘。新型跳脫裝置則根據電流的有效值(RMS)而動作。保護繼電器對波形畸變之響應很大程度取決于所采用的檢測方法。目前并沒有通用的準則能用來描述諧波對各種繼電器的影響。然而,可以認為目前在電網上一般的諧波畸變不會對繼電器運行造成影響。

  2.6功率因數補償電容器電容器與其它設備相較有很大區別,電容器組之容抗隨頻率升高而降低,因此,電容器組起到吸收高次諧波電流的作用,這將導致電容器組溫升提高并增加絕緣材料的介質應力。頻繁地切換非線性電磁組件如變壓器會產生諧波電流,這些諧波電流將增加電容器的負擔。應當注意的是熔絲通常不是用來當作電容器之過載保護。由諧波引起的發熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的縮短。在電力系統中使用電容器組時,因其容性特點在系統共振情況下可顯著的改變系統阻抗。必需考慮系統產生諧振的可能性。系統諧振將導致諧波電壓和電流會明顯地高于在無諧振情況下出現的諧波電壓和電流。

  2.6.1諧波與并聯諧振變速驅動器產生的諧波電流,在經由電容器組電容和電網電感形成的并聯諧振回路,可被放大到10-15倍。被放大之諧波電流流經電容器可導致其內部組件過熱。需注意的是,在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。

  2.6.2諧波與串聯諧振在上一級電網系統電壓如發生波形畸變的情況下,由電容器組之電容和供電變壓器之短路電感形成的串聯諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器,串聯諧振可導致在變壓器的低壓側出現高的波形畸變。

  2.6.3建議不論何時,只要有非線性負載(直流驅動器、換相器、UPS、及所有整流器)連接到母線上,而又打算在母線上連接電容器組,此時設計無功功率補償系統,一定要倍加小心。為避免在連接電容器組之系統產生并聯或串聯諧振,應采用濾波或調諧式電容器組。在那些電管部門對諧波量有限制的地方,通常安裝濾波電容器組是必須的,以滿足例如IEEE標準519-1992或ENGINEERINGRECOMMENDATIONG5/3上標明之要求。典型的濾波電容器組設置五次、七次、十一次諧波等3個濾波分支路。濾波分支路的數量取決于要吸收的諧波量和需要補償的無功量。在某些情況下,甚至一個濾波分支路就可滿足電壓畸變之限制和目標功率因數。為了設計濾波電容器組,應對會產生諧波的負載進行調查及整合,對既設工廠而言進行實地諧波測量是最理想的方式。根據IEEE519-1992標準,單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。例如,某些母線在不加電容器的情況下由非線性負載所引起之單次諧波電壓畸變,測量值低于3%,那么就可以將任何電氣設備連接到此母線上而無須顧忌。然而,請注意,不論什么時候,只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上,就會出現特定的并聯和串聯諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合,諧波電流和諧波電壓就會被明顯放大。在沒有諧波量限制的地方,可以使用調諧式電容器組。但是請記住,在此種情況下,諧波的主要成份都注入到上級電網。調諧式電容器組的典型范例,所需之段數則取決于負載功率因數和目標功率因數。設計調諧式電容器組時,通常須給出電壓畸變限制值。給出的低電壓典型值舉例如下:U3RD=0.5%;U5TH=5%;U7TH=5%。典型的調諧頻率是204HZ和189HZ,分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應。與使用6%的電抗器相比,7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負載。設計時要考慮電抗器鐵芯的線性度,使其涌流時以及在額定電壓畸變情況下不會出現飽和狀態。當設計無功電力補償系統時,假如設計一個新商業大樓,如果不知道大樓將有什么樣的負載,通常較合理的作法是采用額定電壓高于系統電壓(例如在400V系統采用525V電容器)的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來負載會產生諧波時,僅須增設電抗器而不須更換電容器組。無論何時,只要懷疑電容器組周圍溫度可能會超出其允許的最高溫度上限值時,則建議在電容器配電盤內加設冷卻風扇。還要提請注意的是在采用調諧式或濾波電抗器的地方,一定要使用強迫冷卻方式,因為與電容器組相比,電抗器會產生更大的熱量。

低壓諧波治理及無功補償

 一. 諧波概述:

  (一)諧波定義:

  供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解,除了得到與電網基波頻率相同的分量,還得到很多大于電網基波頻率的分量,這部分電量稱之為諧波。諧波頻率和正常的基波頻率比值(n=fn/fl)稱為諧波次數。諧波實際上是一種干擾量,使電網受到污染,F在技術領域主要研究諧波的發生、傳輸、測量、危害、抑制及濾除,其頻率范圍一般為2≤n≤50(我國電源頻率為50hz-60hz)

  (二)諧波產生的原因:

  工礦企業供配電系統中的高次諧波除來自外部電網(稱為背景諧波,以電壓的形式存在),諧波產生的主要原因是由于非線性負載所致,如市政給排水工程中拖動風機、水泵以及攪拌器的交流變頻裝置和直流傳動裝置,這些裝置都是利用電力半導體技術將工頻正弦波通過整流、斬波和逆變等措施,變成直流或頻率可調的交流電。當電流經負載時與所加的電壓不呈線性關系就形成非正弦電流,既有諧波電流產生。

  (三)諧波源:

  向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源,例如:

  1.電弧煉鋼爐2. 整流器及整流設備

  3.焊機設備4. 電子控制照明裝置(如調光電子熒光鎮流器)

  5.UPS電源系統6.風機或水泵的變頻調速裝置

  7.高層電梯8.TV影視設備、TV影視監視設備

  9.磁飽和穩壓裝置10.計算機、打印機、復印機、變頻冰箱等。我們企業越來越多的使用產生諧波的電氣設備,如:交流變頻裝置、軋鋼機直流傳動設備,晶閘管串接調速的風機水泵等,這些設備受用的電流是非正弦形的,其諧波分量使系統正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及工作狀態況,而與電網參數無關,所以可視為恒流源。各種晶閘管電路產生的諧波次數和其電路形式有關,稱為該電路的特性諧波。對稱三相變流電路的網側特征諧波次數為:PN±1(正整數)。式中P為一個電網周期內脈沖觸發次數,除特征諧波外,在三相電壓不平衡,觸發脈沖不對稱或非穩定工作狀態下,上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算最有意義的是特征諧波,當電網接有多個諧波源時,由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同,其和將小于各分量的算術和。變壓器激磁電流中含有3、5、7、9等各次諧波分量,由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法,為3次諧波提供了通路,所以3次諧波電流一般情況下不會流入電網。

  (四)諧波的含量及危害:

  由于諧波的產生將改變電源原由50Hz-60Hz的電壓性質,從而產生附加的諧波損耗,使變配電和用電設備效率降低,加速電纜絕緣老化而使其容易被擊穿,影響自動化裝置動作的準確性,對通訊線路和控制信號造成電磁及射頻干擾等。

  按有關規定,諧波的含量大于15%為嚴重污染電力網,在這種情況下一般電器都無法正常工作,這就必須采取諧波治理措施;電力網諧波含量在8%-10%為中度污染,這時一般用電設備還可以工作,但對于特殊用電設備就不能正常工作了,如無功補償裝置就是此種情況,我們向電力網投切的一般電力電容器沒有抗諧波功能,如果此時電力網諧波含量在8%-10%以上投入電力電容,那么電力電容將在諧波的作用下發生諧振,并在電容內部產生數倍于額定電流的諧振電流,于是就會發生無功補償裝置在運行很短的時間內電力電容器就被擊穿而失去電容容量,諧波的干擾也將使無功補償裝置中的小型斷路器(熔斷器)、接觸器(復合開關)、熱繼電器等電器保護元件過熱、失靈、熔焊、誤動作、接地保護裝置功能失常,由于諧波源的存在而且需要無功補償時,普通補償裝置將難以正常工作,這時就必須采取先治理后補償的新方案。

  二、 諧波治理:

  為了能把諧波對電力系統的干擾限制在系統可以接受的范圍內,我國頒布了電力系統諧波管理暫時規定(SD123-84、GB/T14549-93)和IEC標準,明確了各種諧波源產生諧波的極限值。

  電力系統治理諧波的主要措施有:

  (一)裝設由電感、電容及電阻組成的單調諧濾波器和高通濾波器。單調諧濾波器是針對某個特定次數的諧波而設計的濾波器,高通濾波器是為了吸收若干較高次諧波的濾波器。

  (二)增加整流相數。高次諧波電流與整流相數密切相關,相數增多,高次諧波的最低次數變高,諧波電流幅值變小。一般可控硅整流裝置多為6相,為了降低高次諧波電流,可以改為12相、24相或48相。當采用12相整流時,高次諧波電流只約占全電流的10%左右,危害性大大降低了。

  (三)在補償電容器回路中串聯一組電抗器,如果對應某次諧波有Xln-Xcn=0即產生諧波,其諧波電流、電壓都趨于無窮大。為了擺脫這一諧振點,通常在電容器(選電壓等級有要求)支路串接電抗器,其感抗值的選擇應使在可能產生的任何諧波下,均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗,從根本上消除了產生諧波的可能性。

  (四)當兩臺以上整流變壓器由同一段母線供電時,可將整流變壓器一次側繞組分別交替接成△形和Y形,這就可使5次、7次諧波相互抵消,而只需要考慮11次、13次諧波的影響,由于頻率高,波幅值小,所以危害性將大大減小。

 


【上一個】 輸配電設備的高低壓無功補償方法 【下一個】 濾波器實現結構的影響因素有哪些?


 · 工業電網中的諧波治理和無功補償

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