抑制谐波方案

地铁BAS——抑制谐波方案第1页共26页地铁BAS——抑制谐波方案4.谐波干扰4.1有关谐波干扰的问题BAS系统设备是否对电网有谐波干扰？如何解决？4.2有关谐波干扰问题的答复地铁BAS系统对电网有谐波干扰，解决方案如下论述：4.2.1谐波的产生电网谐波来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。在用电设备中，下面一些设备都能产生谐波。晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8%20%，最大可达45%。气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。地铁BAS——抑制谐波方案第2页共26页家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。4.2.2谐波的危害电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障，情况日趋严重。电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来有以下几个方面：1.对供配电线路的危害○1影响线路的稳定运行供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。○2影响电网的质量电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，可达40%；三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。2.对电力设备的危害○1对电力电容器的危害当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。○2对电力变压器的危害谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁致伸缩引起的，随着谐波次数的增加，振动频率在1KHZ左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。○3对电力电缆的危害由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感地铁BAS——抑制谐波方案第3页共26页抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。3.对用电设备的危害○1对电动机的危害谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。○2对低压开关设备的危害对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。○3对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。○4影响电力测量的准确性目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。○5谐波对人体有影响从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。4.2.3抑制谐波的解决方案针对地铁BAS系统，最严重的谐波源就是变频器，其产生和危害性在4.2.1和4.2.2中已经作了详细的介绍，下面以变频器为例重点论述应对措施。一．如何正确处理变频器与周边设备的关系1.变频器本身对外界的无线电干扰通过以下措施减轻○1如图4-1所示,在变频器的输入、输出侧加装FIL1和FIL2无线电干扰抑制电抗器。这一类电抗器属于共模抑制电抗器，或称零序电抗器，它对被穿过磁芯的几根导线上出现的瞬时相位和幅值不能抵消的干扰有抑制作用，而对被穿过磁芯的几根导线瞬时相加电磁场可完全抵消的干扰就不能抑制，也即对三相正弦波电流不起作用。就无线干扰而言，共模干扰占大多数，所以共模抑制电抗器经常对无线电干扰抑制有效。地铁BAS——抑制谐波方案第4页共26页图4-1为降低无线电干扰在输出和输入功率线上加装FIL1和FIL2磁环形成电抗器对共模干扰进行抑制○2变频器的输入、输出功率电线的布局要防止对周边设备的控制线有电磁场耦合，即要防止这些功率电线与某条控制线平行捆扎在一起或过分靠近，如图4-2所示。图4-2变频器的控制线与功率输出线及电源进线过分靠近或捆绑在一起的不良安装○3数字式测量仪器仪表的输入阻抗高、频率响应好，很容易敏感变频器本体和输入输出线所发射出来的无线电干扰，造成数字式测量仪器仪表显示乱跳或完全不能测量。因此要求数字式测量仪器仪表远离变频器及变频器的输入输出线。如远离不可能，应对数字式仪器仪表的本体、测量线进行屏蔽。屏蔽线的外套金属网不能两端接地，只能一端接地，接地端设在数字式仪器仪表侧，由此形成静电屏蔽如图4-3所示，另外一种使用双绞线作为数字式仪器仪表的输入线，每绞间距不得大于1cm。干扰严重时可以综合采用多种措施:双绞线+屏蔽套、屏蔽箱、拉开距离、变频器输入输出线加磁环、加电抗器等。地铁BAS——抑制谐波方案第5页共26页图4-3对数字式仪器或其他敏感仪器的抗干扰处理方法2.外界干扰妨碍变频器正常运行时的对策○1由电网引入的干扰和过电压(a)变压器原边电网因各类用电器切换、雷电等所引起的过电压及干扰会通过变压器分布电容和绕阻耦合传递到变压器付边、使付边电线上出现过电压及干扰。(b)与变频器同一付边电源线上有大功率的负载切换，特别是功率因数补偿柜之类的容性负载切换，会在电源线上引起过电压，这种过电压的大小与切换电流的大小、突变速率和电网导线电感值有关。例如:如图4-4所示的负载N经由断路器KM2突然断开时，因电网导线电感(La、Lb、Lc)的存在，会在接往变频器的导线上产生过电压或干扰图4-4过电压和干扰传输途径及为减弱过电压和干扰所附加的各种措施及元件(c)在变频器同一电源上接有强干扰负载或晶闸管器件，会造成电网电流严重畸变，引起在正弦波电压上叠加尖峰过电压和干扰。○2由周边电器的无线电干扰引起变频器不能正常工作。变频器本身如果是全金属外壳就有良好的屏蔽辐射干扰的作用，如果是塑料外壳，变频器设计中又没有很好的抗干扰措施，此时就要另外采取措施;地铁BAS——抑制谐波方案第6页共26页○3减轻外界干扰的对策:(a)在变频器电源输入端加交流电抗器1ACL、无线电吸收电抗器FIL1。(b)过电压的减弱程度与变频器前端电源线长度、布局等有关。当电源线长时，由变压器来的过电压和干扰在电源线的电感上会衰减，此时由变频器内部的压敏电阻、电容吸收比较有效。但当变频器与配电用变压器靠近时，电源线阻抗太小，过电压发生时没有在电源线上得到衰减，因此强大的过电压到达变频器压敏电阻上，甚至会使压敏电阻爆炸。为此加入进线侧交流电抗器ACL1实有必要。(c)对于变频器外控端子上因外界干扰造成不能正常工作时可采用如下对策:使用继电器中继方式，使受干扰的线路完全隔离如图4-5所示，在外控端上并电容，降低输入阻抗、使干扰衰减在外控端子使用双绞线作控制(图4-5)对塑料外壳变频器考虑装在屏蔽箱内，但必需有良好通风冷却配合图4-5减轻外控输入端上外来干扰的方法3