新聞主題	柴油發電機組的電話諧波因數THF和干擾影響系數TIF

 

摘要：隨著科學技術的發展，PLC智能控制在柴油發電機組的應用越來越廣泛。柴油發電機組控制系統的可靠性直接影響到工業企業的安全生產和經濟運行，而控制系統的抗干擾能力是關系到整個供電可靠運行的關鍵。目前控制系統是直接安裝在設備上，因此，大多數工作條件處于強電電路和強電設備所形成的惡劣電磁環境中。要提高柴油發電機組可靠性，電力系統設計人員只有預先了解各種干擾才能有效保證系統可靠運行。  

 

一、何為諧波

 

1、諧波的研究和發展

      “諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。

      到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發展，發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

      諧波研究的意義是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

2、諧波的危害

      理想的發電機所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對發電機是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還需要嚴懲沒有引起足夠的重視。諧波對發電機和其他系統的危害大致有以下幾個方面。

（1）諧波使發電機中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會引起發電機中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。

3、諧波抑制

      為解決發電機電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使期不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

      裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

 

圖1  發電機感應電勢波形

圖2  發電機三次諧波勵磁示意圖

 

二、干擾因素的名詞定義

 

      諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50Hz)相同的分量。 

1、電話諧波因數（THF）的定義

       根據全國科學技術名詞審定委員會規定，電話諧波因數（THF）就是指電壓波形中基波及各次諧波有效值加權平方和的平方根值與整個波形有效值的百分比，因高次諧波產生的影響稱為電話諧波系數，即THF。 

2、電話影響系數（TIF）的定義

       由于交流發電機的電壓數據并不可能達到恒定無變化狀態，通常在國際或國家所規定的電壓范圍上下幅度波動，這些波動會對通信系統的通話質量和聯絡質量帶來一定的影響和干擾，其對電話的影響稱為電話影響系數TIF。

 

三、電話諧波因數（THF）測量

 

　　國家標準《GB 755-2008 旋轉電機定額和性能》對電話諧波因數測量有明確的計算公式，如下：

       該公式關鍵在于加權系數λn的數值獲取。標準中提供了部分頻率的加權系數，對于基波頻率不是50Hz的信號，大部分頻率的諧波標準中沒有提供，需要自己采用插值運算獲取。大多電機檢測測量設備未提供THF指標。AnyWay變頻功率分析儀能夠在檢測的同時運算并顯示電機試驗國家標準中定義的THF、HVF、K、THD、HC等指標。

      國家標準GB755規定，發電機的空載線電壓正弦畸變率必須小于5%。有些專業標準還規定了線電壓的電話諧波因數：對于容量在300～1000kVA的同步發電機，THF應小于5%；對于容量在1000～5000kVA的同步發電機，THF應小于3%；對于容量在5000kVA以上的同步發電機，THF應小于1.5%。某些特殊應用場合的同步發電機(如軍用發電機)，除了對上述兩項指標做出規定外，還對輸出電壓波形的偏離系數、單次諧波含量等指標做出更加嚴格的規定。

 

四、柴發對TIF和THF規定

 

     1、電話影響系數TIF：﹤50，對電話的影響

     2、電話諧波系數THF：﹤2%，因高次諧波產生的對電話的影響。

    注意：數據中心對于容量小于62.5kVA的機組，其線電壓的電話諧波因數（THF）應不大于8%。 容量不小于62.5kVA的機組，其線電壓的電話諧波因數（THF）應不大于5%。

表1    柴油發電機組的電話諧波因數TH有效值

 

五、其他干擾因素

 

       共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地面的電位差，主要由電網串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應的共態(同方向)電壓送加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統I/O模件損壞率較高的原因)，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。 

      影響PLC控制系統的干擾源于一般影響工業控制設備的干擾源一樣，大都產生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。干擾類型通常按干擾產生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質的不同劃分。其中：按噪聲產生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質不同，分為持續噪聲、偶發噪聲等；按聲音干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。 

     差模干擾是指用于信號兩極間得干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應及由不平衡電路轉換共模干擾所形成的電壓，這種讓直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。

 

總結：

      近30年來，發電機電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種發電機電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。

 

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