新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)電壓諧波畸變原因、標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算

 

摘要：眾所周知，電壓波形在理想狀態(tài)下是正弦波，但由于柴油發(fā)電機(jī)組的供電系統(tǒng)中存在大量非線性阻抗特性的用電負(fù)載，使得實(shí)際的電壓波形偏離正弦波，這種現(xiàn)象稱為電壓正弦波形畸變，通常用諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率。由于諧波通常是具有非線性阻抗特性或非正弦電流特性的用電設(shè)備產(chǎn)生的，所以用戶在采購柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)應(yīng)注意設(shè)備生產(chǎn)廠家提供的畸變率最高值或解決電壓畸變率的措施。

一、發(fā)電機(jī)諧波的產(chǎn)生原因

 

      電力諧波就是電能中包含的諧波成分，分為諧波電壓和諧波電流。

1、諧波

      諧波是與基波對應(yīng)的一個(gè)概念。如果有一個(gè)頻率為f正弦波，那么頻率為nf的正弦波就稱為f正弦波的n次諧波，而頻率為f的正弦波就是基波（含義為基本波形）。例如：我們的電力電壓波形為50HZ的正弦波，那么3次諧波就是150HZ的正弦波，5次諧波就是250HZ的正弦波，原理如圖1所示。

      用數(shù)學(xué)的方法可以證明，任何一個(gè)周期性波形都可以分解為基波和諧波。因此，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓發(fā)生畸變時(shí)，就表示其中包含了諧波成分。圖2是包含了3次諧波和5次諧波波形表征圖，3次和5次諧波是工業(yè)上最典型的兩種諧波。如果諧波成分是電流，就叫諧波電流。如果諧波成分是電壓，就叫諧波電壓。

2、諧波電流

      諧波電流是導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過熱、電纜過熱、跳閘、無功補(bǔ)償裝置燒毀的主要原因。

3、諧波電壓

      諧波電壓是電子設(shè)備誤動作的主要原因，因此，類似于數(shù)據(jù)中心這種電子設(shè)備為主的用戶，擔(dān)心電子設(shè)備受干擾而特別關(guān)注發(fā)電機(jī)諧波電壓畸變率的問題。一般要求電壓畸變率小于5%。

4、諧波電流和諧波電壓的區(qū)分

      諧波電流是諧波的根源，諧波電壓是諧波電流的產(chǎn)物。因此，要徹底解決諧波導(dǎo)致的各種問題，就要從控制諧波電流入手。諧波電壓是諧波電流流過線路阻抗時(shí)產(chǎn)生的，對于特定的配電系統(tǒng)，諧波電流與諧波電壓之間的關(guān)系如下（歐姆定律）：

諧波電壓=諧波電流×電網(wǎng)阻抗.....................（公式1）

      式中，電網(wǎng)阻抗包括了發(fā)電機(jī)的阻抗和配電系統(tǒng)的阻抗，如圖1所示。

      較大的諧波電流并不一定導(dǎo)致較大的諧波電壓。只有當(dāng)系統(tǒng)阻抗較大時(shí)，諧波電流才會產(chǎn)生較大的諧波的諧波電壓。例如容量較小（對應(yīng)阻抗較大）的情況，這時(shí)，雖然電流畸變率并不大（所含的諧波電流成分較小），但是電壓可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。而發(fā)電機(jī)容量較大（對應(yīng)阻抗較低）的情況，這時(shí)，雖然電流畸變率很大（所含的諧波電流成分較小），但是電壓可能會出現(xiàn)嚴(yán)重的畸變。

 

圖1  發(fā)電機(jī)諧波產(chǎn)生原理

圖2  發(fā)電機(jī)多種諧波特征表示圖

 

二、電壓正弦波形畸變率的概述

 

1、電壓正弦波形畸變率的指數(shù)

      在空載標(biāo)定電壓和標(biāo)定頻率下，柴油發(fā)電機(jī)組線電壓波形失真（正弦畸變率）<5%。

2、電壓正弦波形畸變率的定義

      柴油發(fā)電機(jī)組技術(shù)要求發(fā)電機(jī)的理想波形是正弦波，但其實(shí)際波形不是真正的正弦波，它既含有基波，又含有三次及三次以上的高次諧波，三次諧波勵磁的發(fā)電機(jī)尤為嚴(yán)重。因此發(fā)電機(jī)的電壓波形會產(chǎn)生正弦形畸變。

根據(jù)上述所知，諧波源使得實(shí)際的電壓波形偏離正弦波的現(xiàn)象稱為電壓正弦波形畸變。通常以諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率。電壓正弦波畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示。

3、電壓正弦波形畸變率的計(jì)算公式

      電壓正弦波畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示。其數(shù)學(xué)表達(dá)方式為：

THD_U=｛√（U?U?+U?U?+...+U_nU_n）×100%｝/ U?.....................（公式2）

      式中，U_n指的是第n次諧波電壓有效值，V；U?指的是基波電壓有效值，V。

三、電壓畸變的主要危害

      柴油發(fā)電機(jī)組供電后，會在供電網(wǎng)絡(luò)注入諧波電流，諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，諧波電壓疊加在正弦波形的50Hz供電系統(tǒng)上，并施加在所有接于供電系統(tǒng)的負(fù)載設(shè)備端，對這些設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。主要會引起負(fù)載設(shè)備損耗增加，產(chǎn)生局部過熱，導(dǎo)致電熱器和電熱機(jī)的過早損壞；電機(jī)的機(jī)械振動增大，噪音增強(qiáng)，造成工作環(huán)境噪聲污染；對電子元件產(chǎn)生干擾，引起工作失常；對自動裝置或測量儀器產(chǎn)生干擾，圖像和通訊質(zhì)量下降。

1、導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)熱

      諧波導(dǎo)致發(fā)電機(jī)發(fā)熱源于兩方面原因，其一是諧波電流能增加發(fā)電機(jī)的銅損和漏磁損耗；其二是諧波電壓能增加鐵損。發(fā)電機(jī)的發(fā)熱程度直接影響了發(fā)電機(jī)使用容量的降低程度。

2、導(dǎo)致連接的電力電纜發(fā)熱

      在三相對稱回路中，三次諧波在三相導(dǎo)線中相位相同，在中性線上疊加后產(chǎn)生了3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，導(dǎo)致中性線溫度升高。智能建筑中大量的OA設(shè)備及電子式熒光燈均使三次諧波在系統(tǒng)中的占有率增大，因此諧波引起中性線發(fā)熱問題值得關(guān)注。當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)，電流具有集膚效應(yīng)，顯然高次諧波電流的存在使線路集膚效應(yīng)加重，線路外表面電流密度加大，從而導(dǎo)致線路（相線及中性線）發(fā)熱。

3、導(dǎo)致對電子設(shè)備的干擾

      智能建筑中自動化及電子信息設(shè)備均要求有較高的電源質(zhì)量，且都工作于低電壓水平，極易受到諧波的干擾而使控制失常。控制失常可能引發(fā)三A系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。

4、導(dǎo)致低壓配電系統(tǒng)工作異常

      諧波畸變可使低壓配電柜中的電器設(shè)備（斷路器、漏電保護(hù)器、接觸器、熱繼電器等）發(fā)生故障。諧波電流使低壓電器設(shè)備鐵損、銅損增加，集膚效應(yīng)加劇，從而產(chǎn)生異常發(fā)熱，誤動作等故障。

四、電壓畸變的防范措施

 

      發(fā)電機(jī)的電壓波形畸變率對感性負(fù)載影響最大，如損耗、電磁噪音、啟動電流、溫升等指標(biāo)變大，電動機(jī)或變壓器等轉(zhuǎn)換效率變低。因此，防范和改善措施是非常必要的。

1、運(yùn)用阻尼繞組降低電機(jī)波形畸變率

      負(fù)序磁場是引起電壓波形畸變率的主要因素，所以應(yīng)采取措施來削弱負(fù)序磁場，凸極電機(jī)的勵磁繞組對負(fù)序磁場有阻尼作用，但不夠，且會影響勵磁電流，所以考慮增加交軸阻尼繞組，效果應(yīng)該不錯。為了提高阻尼效果，阻尼繞組的電阻R應(yīng)遠(yuǎn)小于電抗X,使阻尼繞組電流落后其電動勢90°,使阻尼磁動勢與負(fù)序磁動勢接近反相。每極的阻尼條數(shù)n及槽距t對附加損耗和發(fā)電機(jī)電壓波形都有影響，一般應(yīng)按下列原則選擇：0.8ts≤t≤0.9ts、1.1ts≤t≤1.2ts、n=4～10、S=KSc/n。其中，ts為定子槽距，S為阻尼條截面積，Sc為一個(gè)極距內(nèi)定子繞組導(dǎo)體的總截面積，K取值≥0.3。

      阻尼繞組的模型（如圖3所示。阻尼繞組主要包含阻尼槽、阻尼端板、阻尼條。阻尼條就是穿過阻尼槽的金屬導(dǎo)體，一般為圓柱形（如圖4所示）。端板截面積一般為一極的阻尼條總截面積的一半。阻尼端板與阻尼條采用焊接連接。

表1    不同阻尼材料對應(yīng)的波形畸變率

 

2、提高發(fā)電設(shè)備功率或容量

      在根據(jù)負(fù)載確定柴油發(fā)電機(jī)組額定容量時(shí)，應(yīng)考慮諧波畸變而預(yù)留容量空間。通常在民用建筑設(shè)計(jì)中一般應(yīng)保證柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率為70%～80%左右，該負(fù)荷率的工程富余量即可防范諧波引起的發(fā)電機(jī)發(fā)熱危害。

3、增大連接電纜線的橫截面

      在電纜截面選擇中應(yīng)考慮諧波引起線纜發(fā)熱的危害。對于聯(lián)接諧波主要擾動源設(shè)備的配線，確定線纜載流量時(shí)應(yīng)日有足夠余量，可適當(dāng)放大一級選擇線纜截面。在三相四線制供電系統(tǒng)中，應(yīng)考慮三次諧波電流和高次諧波電流引起的趨膚效應(yīng)對中性線的發(fā)熱危害，即在中性線截面的選擇中選用足夠的余量。

4、采用措施或?qū)Ｓ迷O(shè)備來降低干擾

      在設(shè)計(jì)和施工階段，建議用戶采取以下措施抑制諧波對電子設(shè)備的干擾。

（1）為該類設(shè)備設(shè)計(jì)專用回路供電，盡可能避免干擾沿供電線路竄入。

（2）為易受干擾設(shè)備加裝線路濾波器，消除或抑制諧波分量，達(dá)到凈化電源目的。

① 電力電容器串聯(lián)濾波電抗器。

      電容器串聯(lián)電抗器后，會組成無源濾波回路；通過調(diào)整電抗器的電抗器，它可以濾除不同次數(shù)的諧波。

② APF有源濾波器。

      它可以檢測電網(wǎng)中的諧波電流，經(jīng)過分析后有源濾波器會發(fā)出與諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，使兩者相互抵消，從而達(dá)到諧波治理的目的。

（3）使該類設(shè)備配線盡可能遠(yuǎn)離諧波電流畸變嚴(yán)重的線路，以避免空間電磁干擾。

（4）接地抗干擾

      接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地及經(jīng)母線接地等幾種形式，要根據(jù)具體情況采用，注意不要因?yàn)榻拥夭涣级鴮υO(shè)備產(chǎn)生干擾。

（5）做好信息線的干擾

      信號線承擔(dān)著檢測信號和控制信號的傳輸任務(wù)，毋庸質(zhì)疑，信號傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。

 

圖3  發(fā)電機(jī)阻尼繞組的模型圖

圖4  發(fā)電機(jī)阻尼條結(jié)構(gòu)示意圖

 

總結(jié)：

      本文論述了發(fā)電機(jī)電壓波形畸變率產(chǎn)生的主要原因，以及如何利用阻尼繞組消除負(fù)序磁場，從而提高柴油發(fā)電機(jī)組的電壓輸出的質(zhì)量。介紹了控制發(fā)電機(jī)電壓畸變的方法以及在實(shí)際運(yùn)用中的作用，降低了附加損耗、提高了效率，使柴油發(fā)電機(jī)組整機(jī)性能提高到更優(yōu)良更能滿足用電需求。

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