电源质量及谐波治理

电源质量及谐波治理江苏腾基电力1.概述电力设备运行中的问题和故障，通常都是由于电网电气参数波动或瞬间干扰所引起，如：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡、功率因数过低、缺相运行等。长期以来，这些导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费的情况受到用户和供电部门的广泛关注。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。电力污染及电力品质恶化主要表现在以下方面：电压波动、浪涌冲击、谐波、三相不平衡等。2.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：*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。*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。*引起电气自动装置误动作，甚至发生严重事故。*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。*造成灯光亮度的波动(闪变)，影响工作效益。*导致供电系统功率损耗增加。3.电源污染的种类3.1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。3.2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：畸变类型畸变数目畸变发生相隔天数低电压15692.1过电压10332.2停电6551.0操作过电压28311.2脉冲过电压16732.0总计6244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)的投切或大型晶闸管的开断引起，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。3.3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%。非线性负载所产生的谐波电流会影响电力系统的多个工作环节，包括变压器，中性线，还有电动机，发电机和电容器等。谐波电流会导致变压器，电动机和备用发电机的运行温度(K参数)严重升高。中性线上的过电流(由谐波和不平衡引起)不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热。无功补偿电容器会因电网电压谐波畸变而产生过热，谐波将导致严重过流；另外，电容器还会与电力系统中的电感性元件形成谐振电路，这将导致电容器两端的电压明显升高，引致严重故障。照明装置的启辉电容器对于由高频电流引起的过热也是十分敏感的，启辉电容器的频繁损坏显示了电网中存在谐波的影响。谐波还会引起配电线路的传输效率下降，损耗增大，并干扰电力载波通讯系统的工作，如电能管理系统(EMS)和时钟系统。而且，谐波还会使电力测量表计，有功需量表和电度表的计量误差增大。3.4三相不平衡三相不平衡会在中性线上产生过电流(由谐波和不平衡引起)不仅会使导线温度升高，造成绝缘损坏，而且会在三相变压器线圈中产生环流，导致变压器过热,甚至引发严重火灾事故等。4.电源污染的治理现代电力系统中的精密电子设备，如计算机、控制系统需要稳定的高品质的供电电压，随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。IEEE-519-1992就是应这样的需要而制定的。这个标准最初是由用户和供电部门联合发起制定的，旨在限制过电压和配电系统中的电流畸变。谐波畸变的测试点被称为耦合点或PCC，该点通常位于计量电表处。标准规定在耦合点处，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的3%。一方面这可以满足计量电表的精度，另一方面能保证用户系统中负载引起的谐波问题对公用供电系统的影响在可接受的范围。应用IEEE-519标准时，应注意它只适用于用户系统与公用供电系统之间的限制要求，并不涉及用户系统内局部电源质量的问题，而大多数谐波是在用户设备产生的而不是在公用电网产生的。我国1993年颁布实施了GB/T14549-1993电能质量.公用电网谐波,规定电压奇次谐波畸变率4%,偶次谐波畸变率4%；注入电网的谐波电流38A(3次)，61A(5次)，43A(7次)等。对于现有供电网络或待建电网中的电力污染情况，要进行仔细分析，通常解决的方法有两个：一是局部重组电网结构，分离或隔离产生电力污染的设备；二是使用电源净化滤波设备进行治理，通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围。国内外很多单位已开始重视电源污染的治理,投资安装电源净化滤波装置,取得了提高电源品质和节能的双重效果。*串联电抗器*有源滤波补偿*无源滤波补偿*增加整流设备的相数*安装各种突波吸收保护装置,如避雷器等目前，无源滤波补偿是实际应用最多、效果较好、价格较低的解决方案，它包括三种基本形式：串联滤波、并联滤波和低通滤波(串并混合)。其中串联滤波主要适用于三次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装置。近年来，随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。有源滤波补偿系统在很多重要场所应用效果非常好。ActiveSine电网有源滤波补偿装置是一种高科技的电力电子产品，采用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入的工作原理，通过实时检测负载电流波形，滤除波形中的基波(50/60Hz)成分，将剩余部分的波形反向，通过控制IGBTs的触发，将反向电流注入供电系统中，实现滤除谐波、动态补偿系统波动、抑制谐振、提高功率因素等功能。产品为成套设备，体积小、占地少、安装操作方便，并联安装于配电系统母线或用电设备旁，可落地安装或挂墙安装。SineWave有源滤波补偿装置是第一种改进型的第二代有源滤波补偿装置，采用DSP和IGBTs电子技术，通过实时检测负载电流谐波，将反向谐波电流注入供电系统中，从而实现滤除谐波、提高功率因素等功能。它具有两种工作模式：全局滤波和特定滤波，特别适用于三相四线制的三相不平衡负载。产品带有远方报警(干触点)，可远方控制，并带有Jbus/RS-485通讯接口(可选)，安装操作方便，并联安装于配电系统母线或用电设备旁，可落地安装或挂墙安装。LongWay信号电源净化柜工矿企业内部的交流信号(控制)电源，如电气化铁路站、石化、钢铁、铝厂等，经常受到供电电源的严重污染，包括各种谐波、浪涌冲击、电压突变及雷击干扰等。电源质量问题导致信号系统经常误动，严重影响生产运行安全。深圳市龙源电气有限公司在吸收国外专利技术的基础上，研制开发出的信号电源净化柜，集多种功能于一体，可广泛应用于站内的信号电源系统的改造。主要功能包括：双路电源互投、净化电源、稳定电压、保护控制设备安全等。ElectroFlow电源净化滤波安全装置是世界上唯一拥有多种线路校正电路的集成无源滤波补偿装置，它采用先进的微电脑控制及多级L-C补偿回路，以梯级逻辑的方式，实时动态地监视、抑制及补偿供电线路上的各种干扰和谐波，平衡三相，稳定电压，提高功率因素，改善供电质量，保设备并联安装于配电系统母线或用电设备旁。电源质量术语*干扰量在电气系统中引起不希望的电磁量变化(电量或磁量)。即使暂时不导致干扰和影响，这个量也称为干扰量。*抗干扰性电气设备在一定干扰量下不发生功能错误的能力。只有电气设备的抗干扰性大于干扰水平时，才能保证设备正常可靠运行。*电磁兼容性干扰量的特定值。是指电气设备抗干扰水平和干扰发射水平的基准。因为干扰量超出这个特定值的概率很小，所以在一个电气系统中设备能保持正常运行。*接电点(PCC)接电点是指公用电网与接电用户的最近点，同时也连接其它用户或者可以连接其它用户。*谐波频率为基波频率(50Hz)整数倍的正弦分量。*中间谐波频率不为基波频率(50Hz)整数倍的正弦分量。*谐波次数谐波频率波频率的比值，对于中间谐波，其次数不为整数。*闪变照明设备光密度波动的主观现象。*电压波动一系列有规律或无规律的电压改变。电网电压有效值的单次改变，没有形状或延续参数。*浪涌电网中设备投切引致的电磁暂态过程，表现为电压(流)毛刺或尖峰。*零线电流低压电网中由于三相负载不对称和非线性负载产生3次谐波电流，可导致零线电流达到相电流1倍甚至3倍，由于零线导线的截面通常选为相线的一半，这将导致零线严重过热，甚至引发火灾。同时由于变压器无零序磁通回路，零线电流将导致变压器产生很大的漏磁，严重干扰计算机显示器和其它电子设备的正常运行。解决的办法主要有零线滤波器或有源滤波器。