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實際應用中的諧波改善和無功補償

日期:2021-09-30 12:02
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摘要:1. 概述 公共電網和工業電網中的諧波量逐漸增加是全世界共同的趨勢,很明顯地,這和工業應用及商用建筑大樓中大量使用非線性負載和設備有著直接的關系。這些非線性設備通常為晶閘管或二級管整流器,它們將導致電網中的電力品質下降,??沙霈F在下列行業應用實例中。 * 變速驅動裝置(VSD),用于: - 制造業和加工業 - 冶金工業中的感應加熱 - 商業建筑中的電梯、空調泵、風機 * 商業和工業建筑樓房中的計算機及其它重要負載所用的不間斷電源(UPS)
2. 諧波的影響
2.1 變壓器
對變壓器而言,諧波電流可導致銅損和雜散損增加,諧波電壓則會增加鐵損。與純正基本波運行的正弦電流和電壓相較,諧波對變壓器的整體影響是溫升較高。須注意的是; 這些由諧波所引起的額外損失將與電流和頻率的平方成比例上升,進而導致變壓器的基波負載容量下降。而當你為非線性負載選擇正確的變壓器額定容量時,應考慮足夠的降載因子,以確保變壓器溫升在允許的范圍內。還應注意的是用戶由于諧波所造成的額外損失將按所消耗的能量(仟瓦一小時)反應在電費上,而且諧波也會導致變壓器噪聲增加。

2.2 電力電纜
在導體中非正弦波電流所產生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相較,則非正弦波會有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應和鄰近效應所引起的,而這兩種現象取決于頻率及導體的尺寸和間隔。這兩種效應如同增加導體交流電阻,進而導致I2Rac損耗增加。

2.3 電動機與發電機
諧波電流和電壓對感應及同步電動機所造成的主要效應為在諧波頻率下鐵損和銅損的增加所引起之額外溫升。這些額外損失將導致電動機效率降低,并影響轉矩。當設備負荷對電動機轉矩的變動較敏感時,其扭動轉矩的輸出將影響所生產產品的質量。例如: 人造纖維紡織業和一些金屬加工業。對于旋轉電機設備,與正弦磁化相比,諧波會增加噪音量。像五次和七次這種諧波源,在發電機或電動機負載系統上,可產生六次諧波頻率的機械振動。機械振動是由振動的扭矩引起的,而扭矩的振動則是由諧波電流和基波頻率磁場所造成,如果機械諧振頻率與電氣勵磁頻率重合,會發生共振進而產生很高的機械應力,導致機械損壞的危險。

2.4 電子設備
電力電子設備對供電電壓的諧波畸變很敏感,這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點。這兩點對于不同類型的電力電子電路控制是至關重要的??刂葡到y對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控制系統失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對通訊設備的干擾。計算機和一些其它電子設備,如可編過程控制器(PLC),通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%,且個別諧波電壓畸變率低于3%,較高的畸變量可導致控制設備誤動作,進而造成生產或運行中斷,導致較大的經濟損失。

2.5 開關和繼電保護
像其它設備一樣,諧波電流也會引起開關之額外溫升并使基波電流負載能力降低。溫升的提高對某些絕緣組件而言會降低其使用壽命。舊式低壓斷路器之固態跳脫裝置,系根據電流峰值來動作,而此種型式之跳脫裝置會因饋線供電給非線性負載而導致不正常跳閘。新型跳脫裝置則根據電流的有效值(RMS)而動作。保護繼電器對波形畸變之響應很大程度取決于所采用的檢測方法。目前并沒有通用的準則能用來描述諧波對各種繼電器的影響。然而,可以認為目前在電網上一般的諧波畸變不會對繼電器運行造成影響。

2.6 功率因數補償電容器
電容器與其它設備相較有很大區別,電容器組之容抗隨頻率升高而降低,因此,電容器組起到吸收高次諧波電流的作用,這將導致電容器組溫升提高并增加絕緣材料的介質應力。頻繁地切換非線性電磁組件如變壓器會產生諧波電流,這些諧波電流將增加電容器的負擔。應當注意的是熔絲通常不是用來當作電容器之過載保護。由諧波引起的發熱和電壓增加意味著電容器使用壽命的縮短。在電力系統中使用電容器組時,因其容性特點在系統共振情況下可顯著的改變系統阻抗。必需考慮系統產生諧振的可能性。系統諧振將導致諧波電壓和電流會明顯地高于在無諧振情況下出現的諧波電壓和電流。

2.6.1 諧波與并聯諧振
變速驅動器產生的諧波電流,在經由電容器組電容和電網電感形成的并聯諧振回路,可被放大到10-15倍。被放大之諧波電流流經電容器可導致其內部組件過熱。需注意的是,在相同電流幅值條件下高頻諧波電流所造成之損失要高于基波頻率電流。

2.6.2諧波與串聯諧振
在上上等電網系統電壓如發生波形畸變的情況下,由電容器組之電容和供電變壓器之短路電感形成的串聯諧振回路會吸引高次諧波電流流入電容器,串聯諧振可導致在變壓器的低壓側出現高的波形畸變。

2.6.3建議
不論何時,只要有非線性負載(直流驅動器、換相器、UPS、及所有整流器)連接到母線上,而又打算在母線上連接電容器組,此時設計無功功率補償系統,一定要倍加小心。為避免在連接電容器組之系統產生并聯或串聯諧振,應采用濾波或調諧式電容器組。

在那些電管部門對諧波量有限制的地方,通常安裝濾波電容器組是必須的,以滿足例如IEEE標準519-1992或Engineering Recommendation G5/3上標明之要求。典型的濾波電容器組設置五次、七次、十一次諧波等3個濾波分支路。濾波分支路的數量取決于要吸收的諧波量和需要補償的無功量。在某些情況下,甚至一個濾波分支路就可滿足電壓畸變之限制和目標功率因數。為了設計濾波電容器組,應對會產生諧波的負載進行調查及整合,對既設工廠而言進行實地諧波測量是*理想的方式。

根據IEEE519-1992標準,單次諧波電壓畸變率允許值為基波電壓的3%。例如,某些母線在不加電容器的情況下由非線性負載所引起之單次諧波電壓畸變,測量值低于3%,那么就可以將任何電氣設備連接到此母線上而無須顧忌。然而,請注意,不論什么時候,只要把不帶電抗器的電容器組連到此母線上,就會出現特定的并聯和串聯諧振頻率。如果這一諧振頻率與某些諧波頻率重合,諧波電流和諧波電壓就會被明顯放大。

在沒有諧波量限制的地方,可以使用調諧式電容器組。但是請記住,在此種情況下,諧波的主要成份都注入到上級電網。調諧式電容器組的典型范例,所需之段數則取決于負載功率因數和目標功率因數。設計調諧式電容器組時,通常須給出電壓畸變限制值。給出的低電壓典型值舉例如下:U3rd=0.5% ; U5th=5% ; U7th=5%。典型的調諧頻率是204Hz和189Hz,分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應。與使用6%的電抗器相比,7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負載。設計時要考慮電抗器鐵芯的線性度,使其涌流時以及在額定電壓畸變情況下不會出現飽和狀態。
當設計無功電力補償系統時,假如設計一個新商業大樓,如果不知道大樓將有什么樣的負載,通常較合理的作法是采用額定電壓高于系統電壓 (例如在400V系統采用525V電容器) 的電容器組。使用較高額定電壓的電容器則在將來負載會產生諧波時,僅須增設電抗器而不須更換電容器組。無論何時,只要懷疑電容器組周圍溫度可能會超出其允許的*高溫度上限值時,則建議在電容器配電盤內加設冷卻風扇。還要提請注意的是在采用調諧式或濾波電抗器的地方,一定要使用強迫冷卻方式,因為與電容器組相比,電抗器會產生更大的熱量。

3. 電力系統諧波諧振案例和解決方法
3.1 案例1
在一個相當大的辦公大樓內,發現許多電容器組因過熱而損壞,損壞的是連接在負責供電給計算機不間斷電源設備(UPS)變壓器之自動功率因數控制電容器組上。

為找出損壞的原因,對諧波進行了測量。測得的供電變壓器基波和諧波電流以及電壓的總諧波畸變率 (THD)。結果可知,當兩段50KVAR投入后出現嚴重的并聯諧振,將30A的十一次諧波電流(由UPS產生的)放大到183A(相當于大約10倍的放大系數),同時電壓的THD值也增加到19.6%。 當2段50KVAR電容器組投入,電容器上電流的有效值(RMS)是364A,相當于2.5倍的額定電流流經電容器,這足以說明電容器損壞的原因。根據IEC831-1 (低壓電容器標準),電容器的容許電流是額定電流的1.3倍。

因為從諧波測量結果中可確認在供電系統中存有諧振現象,因此重新設計了無功補償系統,并決定使用帶7%電抗器的調諧式電容器組。請注意,裝上調諧電容器組后,無論投入幾段皆可避免諧振,而且也不會放大任何諧波電流,為了驗證此新設計,在*大非線性負載下對調諧電容器組進行測試,結果證明諧波電流如期望般并無放大現象。

3.2 案例2
單線系統圖是從一個塑模公司的供電系統中取出的,這個固定式的150KVAR電容器組經常故障。為了找出頻繁故障的原因,進行了實地諧波測量,結果如圖9所示。測量得的電容器組有效電流值是371A,主要諧波分量是十一次諧波。測得的電容器有效電流相當于額定電流的1.71倍,這樣的測量結果當然能夠解釋為什么電容器總是出故障。由于總電壓諧波畸變率即使在不用電容器的情況下也高達8.1%。此公司現考慮采用濾波電容器組進行無功補償,以保證所有用電設備皆有良好的供電質量。

3.3 案例3
單線系統圖中電容器組是某家公司所購置的。此公司購置電容器組的決定是由于公司電力系統功率因數太差不符合要求被罰款所致。經計算,總共需要400KVAR 來改善功率因數才能達到不被罰款的規定值。

在對電容器組進行測量后可知,工廠供電用的500KVA變壓器稍有些過載,五次諧波電流為62A,是基波電流的9%。當電容器組投入時,由于無功得到補償,基波電流降到492A,可是五次諧波電流卻被放大到456A,是基波電流的93%,總電壓畸變率增加到16.2%,此種供電品質是負載所完全不能接受。因此,*后是將電容器組切離,并訂購新的調諧式電容器組進行替換。

3.4 案例4
此案例中之測量主要的目的是要確定采用什么樣的無功補償系統才能改善功率因數,使其達到不被罰款要求值。從測量的結果可以看出,電壓發生了嚴重畸變,測得電壓之THD是12%。顯然,不帶電抗器的電容器組是不能使用的,由于較高的電壓畸變,所以決定使用濾波電容器組進行無功功率補償。

當所有的濾波器都投入使用時,電壓THD從12%降到成為2%,該值被認為是低電壓供電系統的很好的結果。還應提請注意的是由于無功功率得到補償,基波供電電流出現了大幅度下降,大約下降520A。同時大量的諧波電流被有效吸收,供電電流達到了規定的諧波限定值。

3.5 案例5
取自一家大型造紙廠的供電系統的案例。該供電系統裝有一個10MVAR、20KV電容器組。電容器組經常因過電流繼電器動作而發生非正常跳閘。諧波測量顯示當電容器組合閘時在20KV的母線上出現10.8%異常高的電壓畸變,五次諧波電流含量并高達135A。 當切斷電容器組后,電壓畸變下降到1.2%,五次諧波電流降為6A。在此中壓諧振情況下,第五次諧波電流放大系數高達22。

對電容器組進行重新設計,設計時將造紙廠直流驅動器產生的諧波電流考慮進去。經計算機對若干可能出現的電網情況進行仿真后,證明加上五次濾波器是*佳方案。為應付于電容器上可能升高之電壓,對原有的電容器組進行修改。方法是再增加一個電容器組,與原有的電容器組串聯,并安裝一臺空心濾波電抗器。

3.6 案例6
當公用電網在變電所使用不帶調諧電抗器的電容器組時,如果變電所供電給帶有產生諧波負載的工業用戶,中壓供電電網被認為是符合標準的電壓畸變,就有存在諧振的可能性。

表示的是在某一變電所11KV母線上所測量的電壓波形,此變電所安裝的電容器組沒有配置調諧電抗器。由圖可見,由于諧振,電壓發生嚴重畸變,五次諧波電壓分量經測量高達基本波的22.2%。如果此電壓供電給MV/LV變壓器,而此變壓器于低壓側接有電容器組,則電容器組之電容與變壓器之短路電感形成一串聯諧振回路而使電容器吸收大量諧波電流,而發生電容器過載。

3.7 案例7
是于一條供電給數家中、小型工廠的11.4KV供電母線上進行20小時的電壓THD值測量,顯然地,公用電網上之電容器組導致了將工廠非線性負載所產生的諧波放大。之所以對此母線的諧波進行測量,是因在一個于低壓側裝有濾波電容器組的工廠經常遭受非正常跳閘的困擾。諧波分析證明畸變主要是由五次諧波所造成,測量期間第五次諧波電壓的*大值達8.1%,超出了公用電網所規定之3%限定值,利用測得的畸變量進行計算,計算出低壓側濾波器的RMS電流,明顯地超過了五次濾波器電流繼電器的熱保護設定值,如果不采取措施消除11.4KV系統的諧振,則低壓側的濾波器應改成帶6%或7%電抗器的調諧式電容器組,如此一來將導致較高的諧波電流流入公用供電系統,進而惡化11.4KV的供電質量。

3.8 案例8
是一個供電給7家工廠之變電站單線系統圖,變壓器TR1-TR6的負載部份為非線性負載,而變壓器TR7則僅為一般的AC負載。無功電力補償方式是用不帶電抗器的自控電容器組進行無功補償。電容器組制造商被告知有幾臺變壓器上的好幾個電容器和熔斷器被燒壞,因此對諧波進行了測量。特別注意的是變壓器TR7也由于20KV供電母線上的5%畸變而受到供電質量低下的困擾。


在為工廠重新設計無功補償系統的同時,決定應讓在產生諧波的變壓器上對諧波進行吸收,因此應采用濾波器。根據每臺變壓器上的負載,設計濾波電容器組的無功功率,分支數量和調諧頻率。當然,無需更換現有變壓器TR7的電容器組,因為這個變壓器只有線性負載。請注意,由于在變壓器TR1-TR6的低壓側的濾波器降低了諧波注入20KV電網,使諧波電壓畸變由5%降到0.8%,因此,變壓器TR7的供電質量變的很好并控制在規定的范圍內。

4 結論
由大部份案例中可發現,在公共電網中之諧波畸變水平達到所規定臨界值以前,諧波問題便已明顯地出現在工業工廠或商業用戶中。在用戶系統中,若使用不串接電抗器之電容器組并造成諧振情況,則于裝有電容器組之母線上將導致高電壓畸變。用戶設備中一些諸如電動機過熱,變壓器過熱及電子設備誤動作的事情都會發生。因此對電力用戶而言,迫切需要的是了解可能發生之諧波問題,并妥善處理使諧波畸變限制在合理范圍內。

計算機仿真計算可針對各種不同電網情況進行快速分析,其輸出結果可當作設計之依據。無論如何,現場之測量不但可以提供可貴之諧波信息,并可當作計算機仿真之輸入值,或者可用來驗證計算結果之準確性。

滬公網安備 31011302004101號

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