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              諧波治理改造

              電能質量的好壞,直接影響到工業產品的質量,評價電能質量有三方面標準。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;最后是電壓的波形質量,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。我國對電能質量的三方面都有明確的標準和規范。
              隨著科學技術的發展,隨著工業生產水平和人民生活水平的提高,非線性用電設備在電網中大量投運,造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗,而且干擾電網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,直接威脅電網的安全運行。舉個常見的例子來說,電子節能燈在使用量所占比重較小的電網中運行,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,在大量投運節能燈后,就會發現節能燈的損壞率大大提高。這是由于節能燈是非線性負荷,它產生較大的諧波污染了這一片電網,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比1要小得多,造成了該片電網供電質量下降,用電設備發熱增加,電網線損增加,使得該區的配變發熱嚴重,嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產生的諧波必須進行治理,使諧波分量不超過國家標準。
              2諧波成因
              電網諧波來自于3個方面:
              1.發電源質量不高產生諧波:發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱,鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因,發電源多少也會產生一些諧波,但一般來說很少。
              2.是輸配電系統產生諧波:輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波,由于變壓器鐵心的飽和,磁化曲線的非線性,加上設計變壓器時考慮經濟性,其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上,這樣就使得磁化電流呈尖頂波形,因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高,變壓器工作點偏離線性越遠,諧波電流也就越大,其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。
              3.是用電設備產生的諧波:晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用,給電網造成了大量的諧波。我們知道,晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網吸收的是缺角的正弦波,從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路,在接感性負載時則含有奇次諧波電流,其中3次諧波的含量可達基波的 30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓,其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器,變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器,也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明:由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%,這是最大的諧波源。
               1 諧波來源
              電力系統中的諧波來自電氣設備,也就是說來自發電設備和用電設備。由于發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波,因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發電機有兩大類:隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發電機,凸極機多用于水輪發電機。
              對于諧波分量而言,隱極機優于凸極機,但隨著科技進步,可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入,使發電機的諧波分量有所上升。當發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電壓超過額定電壓10%以上時,也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網電壓偏移在±7%以下,所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小,比國家的考核標準低的多,因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。
              為此,影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備,也就是說非線性用電設備是主要的諧波源,非線性用電設備主要有以下四大類:
              · 電弧加熱設備:如電弧爐、電焊機等。
              · 交流整流的直流用電設備:如電力機車、電解、電鍍等。
              · 交流整流再逆變用電設備:如變頻調速、變頻空調等。
              · 開關電源設備:如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
              這些用電設備都是非線性用電設備,但它們產生的諧波各不相同,具體舉例分析如下:
              電弧加熱設備是由于電弧在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,造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大,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、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少,電焊機應用的同時率就更小了,對整個電網的影響比較小,但發現在燒電焊時,局部低壓電網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備的諧波產生的原因是由于整流設備有一個閥電壓,在小于閥電壓時,電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源,在整流設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,加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流,在整流設備中應用了可控硅,這使得該類設備的諧波污染更嚴重,而且諧波的次數比較低。
              交流整流再逆變用電設備,在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣,它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流,這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波,也有高次諧波。
              雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小,但它的分布面廣,數量多,是推廣使用的技術手段,因此它的諧波污染應引起足夠關注。
              開關電源設備應用很廣,它的工作原理是先把交流整流成直流,通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉,從而在變壓器二次側感應出電流,供給用電設備。此外,開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右,不僅在整流時產生諧波,而且在開關管開閉時,反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單臺容量不大,但它是應用面最廣、量最大的非線性用電設備,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。
              現狀淺析
              通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試,我們了解到目前我國內工業企業的諧波污染十分嚴重,尤其是早些年為了節能,引入的變頻電源和直流用電器的投入,其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%,這對于小功率的用戶而言,還不怎樣,但對于大功率的用戶來說,危害就很大了,對于中頻爐用戶,它用常規的無功補償就無法進行,有的用戶用常規的電容器無功補償,無法投入電容器,有的即便投入了,也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上,使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加,縮短了設備的使用壽命,多交了電費。
              諧波治理
              諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。
              1、無源濾波裝置主要采用LC回路,并聯于系統中,LC回路的設定,只能針對于某一次諧波,即針對于某一個頻率為低阻抗,使得該頻率流經為其設定的LC回路,達到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時,在基波對系統進行無功補償。這種濾波裝置簡單,成本低,但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。
              2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產生一個大小相等,但方向相反的諧波電流,用以抵銷網絡中的諧波電流,這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件,成本高,在其額定功率范圍內,原則上能全部濾除干凈。
              3治理方法
              常用的諧波治理的方法無外乎有二種 ,無源濾波和有源濾波。下面就談談這二種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。
              無源諧波
              無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來,組成LC 串聯回路,并聯于系統中,LC回路的諧振頻率設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,如果諧振頻率設定得不好,會與系統產生諧振。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系統大多數采用無源濾波方式,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大多數是私有的,業主對諧波的危害認識不足,一般不愿意拿出大量的經費來治理諧波,而有的企業由于諧波的含量太大,常規的無功補償不能湊效,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,業主不得不要求濾波。因而,其市場的前景可觀,經濟效益也就可觀了。
              國內低壓側高水平的諧波濾除裝置是采用光纖觸發系統,大幅度降低因諧波干擾致使電纜觸發所產生的誤動。
              有源諧波
              有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的,它的濾波效果好,在其額定的無功功率范圍內,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,使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度,但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓,額定電流的發展限制,成本極高,其制作也較之無源濾波裝置復雜得多,成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統的供電系統,尤其是寫字樓的供電系統,工廠的計算機控制供電系統。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,只要不危害其他用電器也就可以了。
              趨勢
              電力網中非線性負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢,如變頻驅動或晶閘管整流直流驅動設備、計算機、諧波治理重要負載所用的不間斷電源(UPS)、節能熒光燈系統等,這些非線性負載將導致電網污染,電力品質下降,引起供用電設備故障,甚至引發嚴重火災事故等。世界上包括我國的一些建筑物突發火災被證明與電力污染有關。
              危害
              電力設備運行中的問題和故障,諧波治理通常都是由于電網電氣參數波動或瞬間干擾所引起,如:電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡、功率因數過低、缺相運行等。
              長期以來,這些導致設備運行故障、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注。
              電力污染及電力品質惡化主要表現在以下方面:電壓波動、浪涌沖擊、諧波、三相不平衡等。
              電源污染的危害
              電源污染會對用電設備造成嚴重危害,主要有:
              *干擾通訊設備、計算機系統等電子設備的正常工作,造成數據丟失或死機。
              *影響無線電發射系統、雷達系統、核磁共振等設備的工作性能,造成噪聲干擾和圖像紊亂。
              *引起電氣自動裝置誤動作,甚至發生嚴重事故。
              *使電氣設備過熱,振動和噪聲加大,加速絕緣老化,使用壽命縮短,甚至發生故障或燒毀。
              *造成燈光亮度的波動(閃變),影響工作效益。
              *導致供電系統功率損耗增加。
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