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万博水晶宫电网谐波的危害及抑制技术

2018-11-03 13:19

  随着电网容量迅速增长,电网运行电压也不断提高,国外输电设备电压已达1000kV?我国从20世纪80年代开始进入大电网时期,输变设备电压已达500kV。最近开始西北地区黄河上游水电深度开发,国家电力公司已批准建设第一条750kV输电线路。

  随着工业、农业和人民生活水平的不断提高,除了需要电能成倍增长,对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多,电力质量(Power Quality)受到人们的日益重视。例如,工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电,或因受电力网上瞬态电磁干扰影响,致使计算机系统无法正常运行,将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分,如果这些装置不能正常运行,必定扰乱人们的正常生活。但是,电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载,都是谐波源,如将这些谐波电流注入公用电网,必然污染公用电网,使公用电网电源的波形畸变,增加谐波成份。

  近几年,传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美,体积愈来愈小,从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高,微电子器件工作电压变得更低,耐压水平也相对更低,更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如,20世纪70年代计算机迅速普遍推广,电磁干扰及抑制问题更是十分突出,一些功能正常的计算机常出现误动作,而无法找出原因。1966年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”,将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分,结果发现计算机在注入100~200V脉冲时就误动作,难怪计算机在现场无法正常工作,其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此,受谐波电流污染的公用电源,轻者干扰设备正常运行,影响人们的正常生活,重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪,会造成严重经济损失。

  国际电工委员会(IEC)已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“IEEE电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准IEEE―1000。在IEEEstd.519―1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数(THD)应在5%以下,而对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于3%。

  由于发电机制造工艺的问题,致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波,因此,产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势,即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然,几个这样的电源并网时,总电源的电流也将偏离正弦波。

  谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时,负载上电流与施加电压呈线性关系;而电流流经非线性负载时,则负载上电流为非正弦电波,即产生了谐波。

  1.2.2 主要非线)开关电源的高次谐波:开关电源的示意图见图1。它由五部分组成:一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制,万博水晶宫这几个部分产生的噪声不完全一样;

  ①一次整流回路噪声:这是电容输入型线路,整流脉动电压要超过C1上的充电电压,电流才从电源输入,电流波形呈脉冲形(图2),对这种脉冲状电流波进行“傅立叶展开”后,可以看到:除了50Hz基波分量外,还有100Hz、150Hz、200Hz、250Hz、300Hz等高次谐波,这些高次谐波电流全部返回到公用电网中,造成公用电网的波形偏离50Hz;

  ②开关振荡回路:开关三极管T1一般以20kHz 以上频率频繁通断,使电路产生高次谐波。其次L1、L2线工作时也会形成噪声;

  ③二次整流回路噪声:首先,高次谐波流过L2-D5-L4-C2产生噪声。电流突变过程中在L2、L4上的反电动势也会形成噪声;

  在合闸后半周期(t=)时,磁通达到最大值Φ1=Φ1max=2Φm,如图3。

  铁心中磁通波形对时间轴不对称,考虑剩磁Φ0,则磁通波形再向上移Φ0,从而使对应磁化曲线工作点移向饱和区,因此在磁通变化时,会产生8~15倍额定电流的涌流,由于线的存在,变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。所产生的励磁涌流所含的谐波成份以3次谐波为主。

  (3)单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰:如果t=0时,CB触头刚分开,弧电压很低略去,因此电源电压u与电容电压相等,即u=uc。

  t=t1时,电流为零,电弧熄灭,而电源电压仍然按正弦变化,经过半周到达正向最大。但是,电容电压uc=-Um不再变化。断路器CB触头间电压Uj=U-Uc=2Um。

  当t=t2时,如果此时弧隙介质击穿,这一过程可以看为Um直流电源经电感L突然加到电压为-Um的电容上,因分布参数产生高频振荡,形成高频电流:

  因此,高频电流ic经时间第一次过零时,高频电流被切断,电容器上电压Uc=3Um最大值,如果此时电弧被熄灭,则Uc将保持3Um不变。

  t=t3时,Uj=4Um,此时弧隙又出现击穿,则电容器电压可达到5Um值。

  实际上,由于触头间距在开断过程中不断增加,因此介质强度不断增大,当介质恢复强度超过电压增加速度,重击穿现象中止,完成开断,所以电容上过电压倍数不会达到3倍(上面的讨论是假设弧隙重击穿发生在电流过零后10ms,因此恢复电压达到最大值)。

  ,用普通断路器投切电容器c1时(c1处于20kV线(p.u)过电压,导致谐振,谐振却又在c2处(c2处于6kV线(p.u)的过电压。

  电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备,调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感,因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。由于与中压母线相连的电容器要经常操作,这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生;

  (4)电压互感器铁磁谐振过电压:在我国10kV、35kV等级的中性点不接地配电网中,为了监视对地绝缘,一般采用三相五柱式电压互感器。在正常情况下,三相对地电压是平衡的,但是由于发生单相接地故障等原因,会导致三相对地电压平衡的破坏,还有可能使电压互感器线圈电感L和系统对地电容C在参数上配合,而产生谐振过电压。为了分析,我们先看一下图5,它是典型的L、C并联电路。图中xc=,xL=ωL,xc是线性参数,但是xL是非线性参数,其大小与铁芯饱和程度有关,如发生并联谐振,则产生较高的谐振过电压;

  (5)整流器和逆变器产生的谐波电压、电流:整流器的作用将交流电转成直流电,而逆变器是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域,大功率整流器――逆变器广泛应用于交流变频调速及交-直流电动机的调速等领域。

  其电路中的二极管视为理想二极管,即正向阻抗接近零,反向阻抗无穷大。因此,只允许电流单方向流动,从整流器的输出端看,每相电流波形为矩形波,不是正弦波,利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形,可以看到除了工频正弦波(50Hz基波)外,还叠加了一系列高次波形――谐波。应该说电动机采用变频器进行调速,可以高水平完成调速外,也可以节省大量电能(近30%),但如前面分析,变频调速过程中要产生高次谐波,即形成高次谐波污染,造成厂区的电视、音响系统不能正常工作,还要干扰二次仪表――压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作,谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。

  这些高次谐波是通过三个途径窜入产生干扰的。其一是通过电容耦合;其二是通过高次谐波电流产生的电磁感应;其三是直接由接地回路或电源线)电弧炉运行引起电压波动:随着冶炼工业的发展,当然会更多地使用电弧炉,这是一个重要负荷。运行时,电极和金属碎粒之间会发生频繁断路,而在熔化期间,电源两相短路,一旦熔化金属从电极上落下,电弧熄灭,电源又开路,因此,可以说冶炼过程是频繁的短路-开路-短路的过程,会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁,一般电压波动频率是0.1Hz~几十Hz,这种谐波是以3次谐波为主。

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