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電能質(zhì)量的好壞,直接影響到工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量,評價電能質(zhì)量有三方面標準。首先是電壓方面,它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等;其次是頻率波動;Z后是電壓的波形質(zhì)量,即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率,也就是諧波所占的比重。我國對電能質(zhì)量的三方面都有明確的標準和規(guī)范。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高,非線性用電設(shè)備在電網(wǎng)中大量投運,造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗,而且干擾電網(wǎng)的保護裝置與自動化裝置的正常運行,造成了這些裝置的誤動與拒動,直接威脅電網(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說,電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)中運行,的確比常用的白熾燈好,不僅亮度高又省電,而且使用壽命也長。但是相反,在大量投運節(jié)能燈后,就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負荷,它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng),造成三相負荷基本平衡情況下,中心線電流居高不下,線電壓與相電壓之比要小很多,造成了該片電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,用電設(shè)備發(fā)熱增加,電網(wǎng)線損增加,使得該區(qū)的配變發(fā)熱嚴重,嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波必須進行治理,使諧波分量不超過國家標準。
諧波來源
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備,也就是說來自和用電設(shè)備。由于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波,因此發(fā)電機發(fā)生的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機有兩大類:隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機,凸極機多用于水輪發(fā)電機。
對于諧波分量而言,隱極機優(yōu)于凸極機,但隨著科技進步,可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入,使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時,由于電機的磁飽和,會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時,也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓便宜在±7%以下,所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小,比國家的考核標準低的多,因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。
為此,影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備,也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源,非線性用電設(shè)備主要有以下四大類:
•電弧加熱設(shè)備:如電弧爐、電焊機等。
•交流整流的直流用電設(shè)備:如電力機車、電解、電鍍等。
•交流整流再逆變用電設(shè)備:如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。
•開關(guān)電源設(shè)備:如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備,但它們產(chǎn)生的諧波各不相同,具體舉例分析如下:
電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧,才會有弧電流,并且滅弧電壓略低于起弧電壓,造成弧電流與弧電壓的非線性。
此外,弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波,造成電弧加熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大,而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當時電弧加熱設(shè)備量少,電焊機應(yīng)用的同時率就更小了,對整個電網(wǎng)的影響比較小,但發(fā)現(xiàn)在燒電焊時,局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大,有較大的諧波影響。
交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個閥電壓,在小于閥電壓時,電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源,在整流設(shè)備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感),從而使閥電壓提高,加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流,在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅,這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴重,而且諧波的次數(shù)比較低。
交流整流再逆變用電設(shè)備,在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣,它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流,這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波,也有高次諧波。
雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小,但它的分布面廣,數(shù)量多,是推廣使用的技術(shù)手段,因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。
開關(guān)電源設(shè)備應(yīng)用很廣,它的工作原理是先把交流整流成直流,通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉,從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流,供給用電設(shè)備。此外,開關(guān)電源的頻率比較高一般在40KHz左右,不僅在整流時產(chǎn)生諧波,而且在開關(guān)管開閉時,反射40KHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺容量不大,但它是應(yīng)用面最大、量最大的非線性用電設(shè)備,它還有一定量的三次諧波,造成配變的中心線電流居高不下,而且三次諧波還會通過配變污染到10KV電網(wǎng)。
諧波危害
電力設(shè)備運行中的問題和故障,諧波治理通常都是由于電網(wǎng)電氣參數(shù)波動或瞬間干擾所引起的,如:電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數(shù)過低、缺相運行等。
長期以來,這些導(dǎo)致設(shè)備運行故障、維修工作量增加及增耗電費的情況受到用戶和供電部門的廣泛關(guān)注。
1、干擾通訊設(shè)備、計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作,造成數(shù)據(jù)丟失或死機。
2、影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能,造成噪聲干擾和圖像紊亂。
3、引起電氣自動裝置誤動作,甚至發(fā)生嚴重事故。
4、使電氣設(shè)備過熱,振動和噪聲加大,加速絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發(fā)生故障或燒毀。
5、造成燈光亮度的波動(閃變),影響工作效益。
6、導(dǎo)致供電系統(tǒng)功率損耗增加。
諧波治理方法
無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來,組成LC串聯(lián)回路,并聯(lián)于系統(tǒng)中,LC回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上,例如5次、7次、11次諧振點上,達到濾除這3次諧波的目的。其成本低,但濾波效果不太好,如果諧振頻率設(shè)定得不好,會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種,主要是因為低成本,用戶容易接受。雖濾波的效果較差,只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本,市場的需求也就大,一般而言,低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用有源濾波方式,高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的,業(yè)主對諧波的危害認識不足,一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波,而有的企業(yè)由于諧波的含量太大,常規(guī)的無功補償不能奏效,供電部門對無功的要求又是十分嚴格的,達不到就要罰款。因此,業(yè)主不得不要求濾波。因而,其市場的前景可觀,經(jīng)濟效益也就可觀了。
有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它的濾波效果好,在其額定的無功功率范圍內(nèi),濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路,使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度,但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓,額定電流的發(fā)展限制,成本極高,其制作也較之無源濾波裝置復(fù)雜得多,成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng),尤其是寫字樓的供電系統(tǒng),工廠的計算機控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言,其利潤是可觀的,但用戶一般不愿意用有源濾波,對于諧波的含量,不必濾得太干凈,只要不危害其他電器也就可以了。
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