工業(yè)電網(wǎng)中的諧波治理和無功補償

 

    1、概述

 

    公共電網(wǎng)和工業(yè)電網(wǎng)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(yè)應(yīng)用及商用建筑大樓中大量使用非線性負載和設(shè)備有著直接的關(guān)系。這些非線性設(shè)備通常為晶閘管或二級管整流器諧波，它們將導(dǎo)致電網(wǎng)中的電力品質(zhì)下降，?？沙霈F(xiàn)在下列行業(yè)應(yīng)用實例中。×變速驅(qū)動裝置(VSD)，用于：-制造業(yè)和加工業(yè)-冶金工業(yè)中的感應(yīng)加熱-商業(yè)建筑中的電梯、空調(diào)泵、風機×商業(yè)和工業(yè)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)考慮足夠的降載因子，以確保變壓器溫升在允許的范圍內(nèi)。還應(yīng)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(yīng)在電費上，而且諧波也會導(dǎo)致變壓器噪聲增加。

 

    2.2電力電纜在導(dǎo)體中非正弦波電流所產(chǎn)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(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的，而這兩種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸和間隔。這兩種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進而導(dǎo)致I2RAC損耗增加。

 

    2.3電動機與發(fā)電機諧波電流和電壓對感應(yīng)及同步電動機所造成的主要效應(yīng)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(dǎo)致電動機效率降低，并影響轉(zhuǎn)矩。當設(shè)備負荷對電動機轉(zhuǎn)矩的變動較敏感時，其扭動轉(zhuǎn)矩的輸出將影響所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。例如：人造纖維紡織業(yè)和一些金屬加工業(yè)。對于旋轉(zhuǎn)電機設(shè)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(fā)電機或電動機負載系統(tǒng)上，可產(chǎn)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(fā)生共振進而產(chǎn)生很高的機械應(yīng)力，導(dǎo)致機械損壞的危險。

 

    2.4電子設(shè)備電力電子設(shè)備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)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(dǎo)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(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)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(shè)備的干擾。計算機和一些其它電子設(shè)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(dǎo)致控制設(shè)備誤動作，進而造成生產(chǎn)或運行中斷，導(dǎo)致較大的經(jīng)濟損失。

 

    2.5開關(guān)和繼電保護像其它設(shè)備一樣，諧波電流也會引起開關(guān)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(tài)跳脫裝置，系根據(jù)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(dǎo)致不正常跳閘。新型跳脫裝置則根據(jù)電流的有效值(RMS)而動作。保護繼電器對波形畸變之響應(yīng)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(wǎng)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(shù)補償電容器電容器與其它設(shè)備相較有很大區(qū)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(dǎo)致電容器組溫升提高并增加絕緣材料的介質(zhì)應(yīng)力。頻繁地切換非線性電磁組件如變壓器會產(chǎn)生諧波電流，這些諧波電流將增加電容器的負擔。應(yīng)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(fā)熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的縮短。在電力系統(tǒng)中使用電容器組時，因其容性特點在系統(tǒng)共振情況下可顯著的改變系統(tǒng)阻抗。必需考慮系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的可能性。系統(tǒng)諧振將導(dǎo)致諧波電壓和電流會明顯地高于在無諧振情況下出現(xiàn)的諧波電壓和電流。

 

    2.6.1諧波與并聯(lián)諧振變速驅(qū)動器產(chǎn)生的諧波電流，在經(jīng)由電容器組電容和電網(wǎng)電感形成的并聯(lián)諧振回路，可被放大到10-15倍。被放大之諧波電流流經(jīng)電容器可導(dǎo)致其內(nèi)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(lián)諧振在上一級電網(wǎng)系統(tǒng)電壓如發(fā)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(lián)諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器，串聯(lián)諧振可導(dǎo)致在變壓器的低壓側(cè)出現(xiàn)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(qū)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(shè)計無功功率補償系統(tǒng)，一定要倍加小心。為避免在連接電容器組之系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，應(yīng)采用濾波或調(diào)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(shè)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(shù)量取決于要吸收的諧波量和需要補償?shù)臒o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(shù)。為了設(shè)計濾波電容器組，應(yīng)對會產(chǎn)生諧波的負載進行調(diào)查及整合，對既設(shè)工廠而言進行實地諧波測量是最理想的方式。根據(jù)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(shè)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(xiàn)特定的并聯(lián)和串聯(lián)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(diào)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(wǎng)。調(diào)諧式電容器組的典型范例，所需之段數(shù)則取決于負載功率因數(shù)和目標功率因數(shù)。設(shè)計調(diào)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(diào)諧頻率是204HZ和189HZ，分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應(yīng)。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(shè)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(xiàn)飽和狀態(tài)。當設(shè)計無功電力補償系統(tǒng)時，假如設(shè)計一個新商業(yè)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(tǒng)電壓(例如在400V系統(tǒng)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(chǎn)生諧波時，僅須增設(shè)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(nèi)加設(shè)冷卻風扇。還要提請注意的是在采用調(diào)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(chǎn)生更大的熱量。

 

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