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領(lǐng)步-首頁(yè) 有源濾波器 無(wú)源濾波裝置 智云新技術(shù) 特殊問(wèn)題診治 案例-新聞
引言
隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展,供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載,如低壓小容量家用電器和高壓大容量的工業(yè)用交、直流變換裝置,特別是靜止變流器的采用,由于它是以開關(guān)方式工作的,會(huì)引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變,從而引起電網(wǎng)的諧波“污染”。產(chǎn)生電網(wǎng)諧波“污染”的另一個(gè)重要原因是電網(wǎng)接有沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷,如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等,它們?cè)谶\(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波,而且會(huì)使電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重。這不僅會(huì)導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低,而且會(huì)嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,形成了對(duì)電網(wǎng)的“公害”。
在并聯(lián)電容器裝置接入母線處的諧波“污染”暫未得到根本整治之前,如果不采取必要的措施,將會(huì)產(chǎn)生一定的諧波放大。
我們?cè)谠S多工礦企業(yè)中,經(jīng)常遇到這樣的情況,無(wú)功功率補(bǔ)償裝置(電容器直接補(bǔ)償)投入后,供電設(shè)備中的電器件(包括變壓器、電抗器、電容器、自動(dòng)開關(guān)、接觸器、繼電器)經(jīng)常損壞,這就是諧波電流被電容器直接補(bǔ)償引起的諧波放大后而造成的。許多企業(yè)采用電容器串接電抗器的無(wú)功補(bǔ)償方式來(lái)回避諧波,但是由于不清楚電抗值的計(jì)算方法,不僅達(dá)不到理想補(bǔ)償效果,反而造成了諧波放大。一些企業(yè)選用了無(wú)源濾波器,但由于沒(méi)有對(duì)電網(wǎng)參數(shù)精確測(cè)算,投入運(yùn)行后不能正常運(yùn)行。由于電抗器高次諧波電流含量與電網(wǎng)諧波源狀況、阻抗參數(shù)和電容器裝置回路阻抗參數(shù)有關(guān),因此在實(shí)際應(yīng)用中電抗率的取值是不同的。串聯(lián)電抗器絕不能與電容器組任意組合,更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。文章著重就串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用展開分析,并提出電抗率的選擇方法。
諧波的產(chǎn)生及其主要構(gòu)成成分
諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的,但電網(wǎng)諧波的主要構(gòu)成并不復(fù)雜。電網(wǎng)諧波是指基波的整數(shù)倍的高次波,即2、3、4、5……次諧波。各次諧波中,偶次諧波是由于信號(hào)正負(fù)半周的不對(duì)稱所形成的,而電網(wǎng)中電流正負(fù)半周的不對(duì)稱的情況不常見,因此偶次諧波的含量很小。在三相系統(tǒng)中,3、6、 9……等3 的整數(shù)次諧波的相位相同,在三相三線的系統(tǒng)中不能流通,在三相補(bǔ)償電容器中也不能流通。只要不是分相補(bǔ)償就不需要考慮3 的整數(shù)次諧波的影響。在輸電、工業(yè)、電力電子等場(chǎng)合一般有以下幾種情況:
(1)在多數(shù)情況下,諧波是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的,主要是整流濾波,它在電網(wǎng)中產(chǎn)生PN次諧波,P是一個(gè)周期內(nèi)整流形成的直流波頭數(shù),N是自然數(shù),三相整流Z低諧波次數(shù)是5 次。
(2)在中頻爐、變頻器等逆變類負(fù)荷中,逆變頻率與電網(wǎng)頻率無(wú)關(guān),會(huì)產(chǎn)生頻率并不是基波的整數(shù)倍諧波,有人稱其為分?jǐn)?shù)次諧波。但這些諧波被整流濾波電路隔離不會(huì)直接反饋到電網(wǎng)中去。
(3)在電弧爐、電解鋁、氯堿廠等大型沖擊性不對(duì)稱負(fù)荷中,雖然諧波的成分非常復(fù)雜且含量很大,但由于其工作的間斷性產(chǎn)生的諧波多為間諧波,特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短,頻譜雜亂,疊加后形成白噪聲。這類諧波可以通過(guò)在諧波負(fù)載前加裝低通濾波器進(jìn)行治理。
(4)電力機(jī)車是人們公認(rèn)的諧波源,但電力機(jī)車主要形成的是陷波和不平衡負(fù)載,通過(guò)Y/△接線的變壓器后3 的倍數(shù)次諧波被隔離,注入電網(wǎng)的諧波成分與逆變類負(fù)荷一樣,所以電網(wǎng)諧波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次諧波。
諧波在無(wú)功補(bǔ)償中的危害
電網(wǎng)諧波與無(wú)功補(bǔ)償中并聯(lián)電容器的運(yùn)行有較大的關(guān)系,因?yàn)殡娙萜骺赡苁闺娋W(wǎng)中的諧波電流放大,有時(shí)甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振,使電器設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞,破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行。諧波放大時(shí),大量的諧波電流在電網(wǎng)與補(bǔ)償電容之間往復(fù)交換,使包括變壓器及電容器等電網(wǎng)上的設(shè)備出現(xiàn)過(guò)載并產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),釋放大量的熱量,加快損耗設(shè)備的同時(shí)也使電網(wǎng)正常運(yùn)行的可靠性大大降低。所以諧波放大是動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)中要考慮的首要問(wèn)題。在供電系統(tǒng)中作為無(wú)功補(bǔ)償用的并聯(lián)電容器,對(duì)于某次諧波若與呈感性的系統(tǒng)電抗發(fā)生并聯(lián)諧振,則可能出現(xiàn)過(guò)電壓而造成危害。過(guò)大的諧波電流可能使電容器壽命縮短、鼓肚、熔絲、群爆甚至燒損。
電壓波形發(fā)生畸變,就意味著它的波形變成非正弦波,由于這種非正弦波是周期性的,所以可用數(shù)學(xué)分析方法的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式將它分解為基波和各種倍數(shù)頻率的高次諧波。在一般的配電網(wǎng)當(dāng)中,對(duì)諧波進(jìn)行抑制是很有必要的,實(shí)際中應(yīng)用的方法主要使用串聯(lián)電抗的無(wú)功補(bǔ)償電容組。相當(dāng)于電容串聯(lián)一個(gè)電抗,從而消除由于電路對(duì)其中的諧波呈容性而帶來(lái)的諧波振蕩及放大。
電抗對(duì)諧波的抑制作用
一般情況下,作為諧波源負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)諧波呈容性時(shí)必然引起諧波放大,必須用帶消諧的無(wú)功補(bǔ)償裝置。
L-C濾波器的諧振頻率為fn,在工頻狀態(tài)下,濾波器呈容性,無(wú)功補(bǔ)償裝置用于補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)的感性無(wú)功功率。而對(duì)頻率為f的諧波有以下兩種情況:
1) 當(dāng)f>fn時(shí),濾波器呈感性,該濾波器對(duì)頻率為f的諧波起濾波作用。濾波效果取決于f和fn的接近程度;
2)如果f=fn濾波器呈很小的阻抗,幾乎所有的諧波量都被濾波器吸收,而不流入電網(wǎng)。
電抗率的選擇
眾所周之,電網(wǎng)電壓流入電抗器后,對(duì)基波不會(huì)有大的影響,但對(duì)諧波來(lái)說(shuō)卻有較大的影響。這些非正弦波形可以用數(shù)學(xué)分析的方法分解成工頻的基波和各種倍數(shù)頻率的諧波。但對(duì)電容器來(lái)講,一般不存在偶次倍數(shù)的諧波。因此主要考慮3、5、7、9、11、13等次諧波的影響。在這些高次諧波中以5次諧波Z為顯著。
設(shè)En為n次諧波源電動(dòng)勢(shì);XB、XL分別為變壓器、電抗器的等值感抗;XC為電容器組的等值容抗;n為諧波次數(shù);In為n次諧波總電流。
顯然,In=En/nXB+(nXL-XC/n) (1)
對(duì)于一般電路來(lái)說(shuō),起主要作用的是3、5、7、11 等次諧波。在式(1)中,若使nXL-XC/n=0,
則當(dāng)n=3時(shí),XL=0.11XC
則當(dāng)n=5時(shí),XL=0.04XC
則當(dāng)n=5時(shí),XL=0.02XC
從式(1)可以看出,當(dāng)nXL-XC/n>0即電容器組回路呈感性時(shí),可使諧波電流減小,因此抑制諧波電流的電抗值應(yīng)滿足nXL-XC/n>0的條件,又考慮到電抗值應(yīng)有一定余量,工程上常取可靠系數(shù)為1.5,因此串聯(lián)電抗器的電抗值應(yīng)按下式選取:
XL=aXC (2)
如限制5次諧波電流,則應(yīng)取:
XL=1.5(0.04XC)=0.06XC
則:XL/XC=0.06
式中0.06為限制5次諧波電流時(shí),電抗器工頻額定電抗XL與電容器工頻額定容抗XC的比值,稱為電抗率,用字母K表示。
即:K= XL/XC (3)
在5次諧波時(shí),由式(3)可知,電抗率K=6%時(shí),才能補(bǔ)償支路的5次以上諧波電抗呈感性,才能有效地抑制高次諧波,并將合閘涌流限制在5倍額定電流左右。
綜上所述,對(duì)于額定頻率為50Hz和60Hz的電力系統(tǒng)中,無(wú)功補(bǔ)償裝置在不同場(chǎng)合的電抗率選擇如下:
XL=0.1%~1%·XC — 不考慮諧波影響,僅需抑制合閘涌流;
XL=4.5%~6%·XC — 限制5次以上高次諧波的影響;
XL=12%~13%·XC — 限制3次以上高次諧波的影響。
電抗率選擇的一般規(guī)律
1、電容器裝置接入處的背景諧波為3次
1)3次諧波含量較小,可選擇0.1%~1%的串聯(lián)電抗器,但應(yīng)驗(yàn)算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值,并且有一定的裕度;
2)3次諧波含量較大,已經(jīng)超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值,選擇12%或12%與4.5%~6%的串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。
2、電容器裝置接入處的背景諧波為3次、5次
1)3次諧波含量很小, 5次諧波含量較大(包括已經(jīng)超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值),選擇4.5%~6%的串聯(lián)電抗器,忌用0.1%~1%的串聯(lián)電抗器;
2)3次諧波含量略大, 5次諧波含量較小,選擇0.1%~1%的串聯(lián)電抗器,但應(yīng)驗(yàn)算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值,并且有一定的裕度;
3)3次諧波含量較大,已經(jīng)超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值,選擇12%或12%與4.5%~6%的串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。
3、電容器裝置接入處的背景諧波為5次及以上
1)5次諧波含量較小,應(yīng)選擇4.5%~6%的串聯(lián)電抗器;
2)5次諧波含量較大,應(yīng)選擇4.5%的串聯(lián)電抗器;
4、對(duì)于采用0.1%~1%的串聯(lián)電抗器,要防止對(duì)5次、7次諧波的嚴(yán)重放大或諧振;對(duì)于采用4.5%~6%的串聯(lián)電抗器,要防止對(duì)3次諧波的嚴(yán)重放大或諧振。
結(jié)束語(yǔ)
本文分析了在電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生和構(gòu)成成分,論述了諧波對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的危害。進(jìn)而介紹帶串聯(lián)電抗器的無(wú)功補(bǔ)償對(duì)電網(wǎng)諧波具有抑制作用,分析、研究其電氣性能,作出相關(guān)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法,給出了在不同場(chǎng)合中電抗率的選擇,在Z后提供幾點(diǎn)在工程上的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),給出電抗率選擇的一般規(guī)律。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,為節(jié)約能源,改善供電品質(zhì),提高無(wú)功補(bǔ)償水平。在電容器組中采用串聯(lián)電抗器是一種行之有效的好辦法,這不僅能解決簡(jiǎn)單電容器補(bǔ)償?shù)倪^(guò)流、過(guò)壓?jiǎn)栴},也可以解決多支路無(wú)源濾波器的過(guò)載問(wèn)題。對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的電容器裝置,其串聯(lián)電抗器選擇是否合理需進(jìn)一步驗(yàn)算,并組織現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),了解電網(wǎng)諧波背景的變化。要注意現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件,按現(xiàn)場(chǎng)條件與要求進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到預(yù)期的效果。
13年來(lái)北京領(lǐng)步始終專注于“諧波干擾危害治理”“高低壓特殊無(wú)功補(bǔ)償”兩方面進(jìn)行辛勤耕耘與技術(shù)積累,專注成就品質(zhì)、質(zhì)量鑄就品牌,為各類諧波治理用戶提供“24小時(shí)技術(shù)咨詢”“免費(fèi)檢測(cè)分析”“方案設(shè)計(jì)與性價(jià)比評(píng)估”,了解更多<諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償>方案,歡迎點(diǎn)擊我們的在線客服進(jìn)行咨詢,或者直接撥打全國(guó)統(tǒng)一服務(wù)熱線400-056-5258,我們期待您的來(lái)電!
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