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諧波不和諧 電氣系統(tǒng)中問題解決辦法

時(shí)間:2010/8/10閱讀:1554
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 摘要


  非線性電氣負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流增大了電力系統(tǒng)熱損耗和終端用戶的用電費(fèi)用。這些與諧波有關(guān)的損耗降低了系統(tǒng)效率,造成設(shè)備過熱并增加了電力成本和空調(diào)費(fèi)用。隨著諧波產(chǎn)生的負(fù)載量不斷增加,在擴(kuò)大或改造現(xiàn)有設(shè)施時(shí)解決諧波負(fù)載的影響變得越來越重要。

  諧波電流對配電系統(tǒng)及其饋電的設(shè)施具有明顯影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)必須考慮它們的影響。此外,確定非線性負(fù)載的規(guī)模和位置也是所有維護(hù)、故障排除和修理計(jì)劃的重要組成部分之一。

  目錄

  現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的諧波問題2
  諧波技術(shù)概覽3
  補(bǔ)償及減小諧波的解決方案4
  增大中性線配線規(guī)格4
  使用單獨(dú)的中性導(dǎo)線5
  使用不會(huì)受諧波影響的直流電源5
  在配電元件中使用K級變壓器5
  使用諧波減緩式變壓器6
  其他諧波減輕方法7

  小結(jié)7
  其他參考資料7
  作者簡介8
  關(guān)于伊頓8

  諧波不和諧
  電氣系統(tǒng)中問題諧波失真的常見原因、意義及解決辦法

  現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的諧波問題

  諧波是指正常電流波形的一種失真,一般是由非線性負(fù)載發(fā)射的。開關(guān)模式電源(SMPS)、調(diào)速電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、復(fù)印機(jī)、個(gè)人電腦、激光打印機(jī)、傳真機(jī)、電池充電器以及UPS等都屬于非線性負(fù)載。單相非線性負(fù)載在現(xiàn)代辦公大樓中較為常見,而三相非線性負(fù)載則普遍存在于工廠和工業(yè)車間里。

  多數(shù)電力系統(tǒng)可以容忍一定程度的諧波電流,但當(dāng)諧波在總負(fù)載中所占比例較為明顯時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題。隨著這些頻率較高的電流流經(jīng)電力系統(tǒng),它們會(huì)造成通信錯(cuò)誤、過熱和硬件受損,比如:

  配電設(shè)備、電纜、變壓器、備用發(fā)電機(jī)等過熱
  諧波阻抗造成的高電壓和環(huán)流
  發(fā)熱并浪費(fèi)電能的高中性線電
  因電壓失真嚴(yán)重導(dǎo)致設(shè)備故障
  增大了連接設(shè)備中的內(nèi)部能耗,造成元器件失效并縮短使用壽命
  支路斷路器偽跳閘
  計(jì)量錯(cuò)誤
  配線和配電系統(tǒng)失火
  發(fā)電機(jī)失效
  高振幅系數(shù)及有關(guān)問題
  降低系統(tǒng)功率因數(shù),導(dǎo)致可用功率減小(kW對kVA)和每月電費(fèi)處罰
 
  多數(shù)配電系統(tǒng)上的大部分非線性電力負(fù)載來自SMPS設(shè)備。比如,所有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用SMPS把市電交流電壓轉(zhuǎn)換為供內(nèi)部電子設(shè)備使用的穩(wěn)定低壓直流電。這些非線性電源會(huì)產(chǎn)生高振幅短脈沖電流,造成電流和電壓波形嚴(yán)重失真——諧波失真,一般按總諧波失真(THD)衡量。該失真向后傳播回到電源系統(tǒng),將影響連接在同一電源上的其他設(shè)備。

  諧波技術(shù)概覽

  諧波是頻率達(dá)基頻整數(shù)倍的電流或電壓。如果基頻為60Hz,那么第2諧波為120 Hz,第3諧波為180 Hz等(見圖1)。當(dāng)諧波頻率占主導(dǎo)時(shí),配電盤和變壓器會(huì)與高頻諧波產(chǎn)生的磁場形成機(jī)械共振。發(fā)生這種情況時(shí),配電盤或變壓器會(huì)振動(dòng)并針對不同諧波頻率發(fā)出蜂鳴聲。第3到第25諧波頻率是配電系統(tǒng)中zui為常見的頻率范圍。
圖1 電流波形的諧波失真


 


  所有周期波都會(huì)隨各種頻率的正弦波產(chǎn)生。傅里葉定律把一個(gè)周期波分解為其分量頻率。

  諧波分量:較大的第1諧波(基頻) 較小的第5諧波 略大的第7諧波
圖2 由基頻、第5和第7諧波組成的失真波形


 


  信號的總諧波失真是衡量諧波失真的指標(biāo),它被定義成所有諧波分量的功率總和與基頻的功率之比。它描述了電壓或電流信號的失真程度(見圖3)。
圖3 總諧波失真


 


  增大中性線配線規(guī)格

  現(xiàn)代設(shè)施中,中性線的配線容量規(guī)格常常要求與電力配線相同或更大——盡管電力規(guī)范允許減小其規(guī)格。支持多臺(tái)個(gè)人電腦(比如呼叫中心)的設(shè)計(jì)應(yīng)規(guī)定中性線配線超過相線規(guī)格1.73倍。對辦公室隔間里的配線尤其要多加注意。需要指出的是,這種方法可以保護(hù)建筑物配線,但不能保護(hù)變壓器。
 
  補(bǔ)償及減小諧波的解決方案

  雖然限制產(chǎn)生諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)正在考慮之中,今天的諧波控制主要依賴于補(bǔ)救方法。補(bǔ)償或減小電力系統(tǒng)諧波可以采取多種手段,其效果和效率各不相同。
 

  使用單獨(dú)的中性導(dǎo)線

  在三相分支電路上,要單獨(dú)為每根相線導(dǎo)線敷設(shè)中性導(dǎo)線,取代多線分支電路共用一條中性導(dǎo)線的做法。這樣可以增大分支電路處理諧波負(fù)載的容量和能力。這種方法可以有效抑制分支電路中性線上諧波增大,但配電板中性母線和饋電中性導(dǎo)線仍須考慮。

  使用不會(huì)受諧波影響的直流電源

  在典型數(shù)據(jù)中心里,配電系統(tǒng)通過一臺(tái)變壓器把480V交流市電轉(zhuǎn)換為對服務(wù)器機(jī)架饋電的208V交流電。每臺(tái)服務(wù)器中的一個(gè)或幾個(gè)電源再把該交流電轉(zhuǎn)換為供服務(wù)器內(nèi)部組件使用的直流電壓。

  這些內(nèi)部電源能效不高,它們產(chǎn)生大量熱,增加了房間的空調(diào)系統(tǒng)的工作量以及運(yùn)轉(zhuǎn)成本。熱耗散也限制了一個(gè)數(shù)據(jù)中心里能容納的服務(wù)器數(shù)量。選擇使用直流電來消除這一環(huán)節(jié)是值得的。

  根據(jù)《能源與電力管理》雜質(zhì)中一篇文章的說法,“配備直流電源而非交流電源的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器產(chǎn)生的熱量下降20%~40%,功耗降低30%,提高了服務(wù)器的可靠性和安裝靈活性,也減少了維護(hù)需求。”

  聽起來不錯(cuò),但綜合考慮成本、兼容性、可靠性和效率時(shí),棄交流電不用而選擇直流電對多數(shù)數(shù)據(jù)中心來說并不可行。交流電——盡管其效率略低——但對現(xiàn)有設(shè)備是普遍可以接受的。

  此外,目前尚無針對數(shù)據(jù)中心高電壓點(diǎn)的保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)安全標(biāo)準(zhǔn),而針對交流系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)則十分成熟。這意味著安全風(fēng)險(xiǎn)勝過了直流電的潛在效益,至少目前是這樣。

  在配電元件中使用K級變壓器

  標(biāo)準(zhǔn)變壓器不是針對非線性負(fù)載產(chǎn)生的高諧波電流而設(shè)計(jì)的。當(dāng)連接這些負(fù)載時(shí)會(huì)過熱并過早發(fā)生故障。當(dāng)諧波開始以具有有害影響的程度引入電氣系統(tǒng)中時(shí)(circa 1980),該行業(yè)的應(yīng)對措施是開發(fā)了K級變壓器。K級變壓器不是用于消除諧波,而是用于處理諧波電流產(chǎn)生的熱量。
  
 
         K系數(shù)額定值范圍在1到50之間。針對線性負(fù)載設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)變壓器K系數(shù)為1。K系數(shù)越高,變壓器能夠承受諧波電流產(chǎn)生的熱量越多。選擇正確的K系數(shù)非常關(guān)鍵,因?yàn)樗鼘Τ杀尽⑿屎桶踩远加杏绊憽?/div>

  K系數(shù)較高的變壓器一般比K系數(shù)較低的變壓器更大,因此要根據(jù)數(shù)據(jù)中心的諧波曲線選擇合理的K系數(shù),從而在尺寸、效率和耐熱能力之間取得*平衡。下表給出了針對電氣系統(tǒng)中不同百分比非線性電流的適當(dāng)K系數(shù)。
 
 

 


非線性負(fù)載
K等級
電子設(shè)備偶爾產(chǎn)生<5%的非線性電流
K1
產(chǎn)生諧波的設(shè)備產(chǎn)生<35%的非線性電流
K4
產(chǎn)生諧波的設(shè)備產(chǎn)生<50%的非線性電流
K7
產(chǎn)生諧波的設(shè)備產(chǎn)生<75%的非線性電流
K13
產(chǎn)生諧波的設(shè)備產(chǎn)生<的非線性電流
K20

 


  帶K-13級變壓器(和大尺寸中性線)的配電單元(PDU)可以有效地處理諧波電力。帶K20級變壓器的配電單元很常見,但對于多數(shù)現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心來說過大。

  使用諧波減緩式變壓器

  K級干式變壓器在電氣環(huán)境中廣泛使用——包括PDU中或作為備用單元。但變壓器設(shè)計(jì)中的進(jìn)步可以在減小諧波電壓失真和功率損耗方面提供更好的性能。

  諧波減緩式變壓器(HMT)用于處理電氣系統(tǒng)的非線性負(fù)載。該變壓器利用電磁減輕技術(shù)專門處理三倍序號(第3、9、15…..)諧波。變壓器的二次繞組用于抵消零序通量并消除一次繞組環(huán)流。該變壓器也通過使用相轉(zhuǎn)移處理第5和第7諧波。

  利用這兩種電磁技術(shù),HMT允許負(fù)載按照其廠家設(shè)計(jì)的方式工作,同時(shí)將諧波對能耗和失真的影響降至zui低。多數(shù)HMT超過了NEMA TP-1效率標(biāo)準(zhǔn),即使在使用非線性負(fù)載進(jìn)行檢測時(shí)。只要規(guī)定了K級變壓器,等效HMT就可以作為直接代用品。

  使用HMT的主要優(yōu)點(diǎn)

  防止非線性負(fù)載造成的電壓平頂
  減小上游諧波電流
  消除變壓器過熱和工作溫度過高
  消除一次繞組環(huán)流
  通過減少諧波損耗達(dá)到節(jié)能
  維持高能效,即使在非線性負(fù)載較為嚴(yán)重的情況下
  處理K級變壓器不能解決的電力質(zhì)量諧波問題
  適合K系數(shù)較高的負(fù)載,而不會(huì)增大涌入電流
  提高功率因數(shù)

  其他諧波減輕方法

  設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心時(shí),HMT是變壓器的。然而,如果現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心存在諧波問題,可使用鋸齒形自動(dòng)變壓器限制三倍序號諧波及第5、第7諧波的影響.
  
  可以通過上述自動(dòng)變壓器與一條二次饋線并聯(lián)來消除三倍序號諧波、第5、第7諧波。這條饋線一般由不同電源供電。自動(dòng)變壓器和這條二次相轉(zhuǎn)移電源一起共同捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。這種應(yīng)用相當(dāng)棘手,因?yàn)檫@兩個(gè)電源都要承載平衡負(fù)載,才能有效捕獲三倍序號諧波、第5、第7諧波。
 
鋸齒形自動(dòng)變壓器是一種只有一次繞組而沒有二次繞組的中性形成變壓器。每個(gè)鐵芯有兩個(gè)一次繞組,它們按相反方向繞線,對正常相電流提供了較高的阻抗。

  當(dāng)靠近負(fù)載放置時(shí),鋸齒形自動(dòng)變壓器可以捕獲三倍序號諧波。這種自動(dòng)變壓器的規(guī)格必須大到足以處理諧波。三倍序號諧波將于自動(dòng)變壓器和該負(fù)載,從而防止上游配電設(shè)備遇到諧波。然而,自動(dòng)變壓器不能用于把電壓改為與電源(電壓)不同的水平。

  但這兩種應(yīng)用對于消除有害諧波十分有效。然而,安裝單臺(tái)諧波減輕變壓器是防止有害諧波影響配電設(shè)備成本效益的方法。

  小結(jié)

  諧波電流對配電系統(tǒng)極其饋電的設(shè)施具有重大影響。在規(guī)劃系統(tǒng)擴(kuò)建或改造時(shí)一定要考慮諧波的影響。此外,確定非線性負(fù)載的規(guī)模和位置也是所有維護(hù)、故障排除和修理計(jì)劃的重要組成部分之一.

 

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