胡 杰, 袁 麗

(1.萍鄉(xiāng)供電公司, 江西 萍鄉(xiāng) 337000; 2.萍鄉(xiāng)礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 江西 萍鄉(xiāng) 337000)

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建筑物電氣設(shè)備諧波故障研究

胡 杰1, 袁 麗2

(1.萍鄉(xiāng)供電公司, 江西 萍鄉(xiāng) 337000; 2.萍鄉(xiāng)礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司, 江西 萍鄉(xiāng) 337000)

針對(duì)諧波電流、電壓對(duì)公用電網(wǎng)用戶的用電設(shè)備產(chǎn)生的危害,從電力電容器、電力變壓器、電力電纜等電氣設(shè)備,分析諧波產(chǎn)生的原因。提出了降低電氣設(shè)備諧波故障的措施,以滿足提高電能質(zhì)量的要求。

電氣設(shè)備; 諧波電流; 公用電網(wǎng); 諧波影響; 諧波抑制

0 引 言

隨著電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,建筑物中的電梯、空調(diào)設(shè)備、熒光燈、不間斷電源(Uninterrupted Power Supply,UPS)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)等用電負(fù)荷大都為非線性負(fù)荷,均是諧波電流的發(fā)生源。公用電網(wǎng)中的諧波含量和諧波引起的電氣設(shè)備故障與日俱增。受諧波電流污染的公用電源,輕者干擾設(shè)備的正常運(yùn)行,影響人們的正常生活,重者致使工業(yè)上的大型生產(chǎn)線、系統(tǒng)運(yùn)行癱瘓,造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。諧波作為影響電能質(zhì)量的一個(gè)重要因素,越來越受到人們的普遍關(guān)注[1-2]。

1 電力電容器

在諧波事故中,電力電容器及其串聯(lián)電抗器故障所占的比例較大。諧波造成電容器可能因過電流或過電壓使絕緣遭受損害或使用壽命縮短。因此,在設(shè)計(jì)上電容器應(yīng)留有更大的裕度,如其最大容許電流為額定電流的1.3倍,最高容許電壓為額定電壓的1.1倍,熱穩(wěn)定試驗(yàn)在1.58倍額定容量和45～50 ℃的高溫下進(jìn)行,局部放電在2.15倍額定電壓的條件下開始。由于電力電容器的阻抗與諧波次數(shù)成反比,諧波電流極易流入,造成電容器過負(fù)荷過熱而損壞,引起電網(wǎng)諧振的諧波擴(kuò)大,特別是小容量的電容器諧波諧振點(diǎn)極易移動(dòng)。為防止諧波電流的擴(kuò)大,必須設(shè)置串聯(lián)電抗器,抑制電容器的涌流。

僅有電容器的場(chǎng)合(容性阻抗),采用與電抗器串聯(lián)組合的方法,可防止或降低感性電路諧波擴(kuò)大引起的諧振。帶串聯(lián)電抗器的電力電容器組的諧波阻抗為

(1)

式中:a——串聯(lián)電抗器的百分電抗值;n——諧波次數(shù);Xc——電容器的基波容抗值。

如在帶6%串聯(lián)電抗器中,當(dāng)a=6,n=5時(shí),Zc5=0.1Xc,即5次諧波阻抗較基波阻抗減小至10%,在380 V電網(wǎng)中5次諧波電壓允許值為4%。電容器除了要承受基波電流外,還要承受基波電流40%的5次諧波電流,在6 kV、10 kV公用電網(wǎng)中5次諧波電壓限值為0.032,該電壓等級(jí)的電容器串聯(lián)6%的電抗器,要承受最大為32%的5次諧波電流。在上述場(chǎng)合中,帶6%串聯(lián)電抗器的電容器組都可能超過電力電容器的最大允許電流(130%)。帶8%串聯(lián)電抗器的電容器組5次諧波阻抗Zc5=0.2Xc,即為帶6%串聯(lián)電抗器場(chǎng)合的2倍,相應(yīng)流入電容器組的5次諧波電流可減少5%。

近年來,隨著家電、辦公自動(dòng)化設(shè)備及電子式熒光燈的普及,3次諧波在這些系統(tǒng)中含有率增大。為了讓帶電抗器的電容器組的3次諧波阻抗為感性,串聯(lián)電抗器的容量要在11.1%以上。帶13%串聯(lián)電抗器的電力電容器組的3次諧波阻抗Zc3=0.057Xc,而帶8%串聯(lián)電抗器的電力電容器組的3次諧波阻抗Zc3=0.093Xc。由于容抗易與系統(tǒng)電抗耦合引起諧振,使諧波擴(kuò)大,故在電網(wǎng)含3次諧波較多的場(chǎng)合要選用13%的串聯(lián)電抗器[3-4]。

電力電容器串聯(lián)電抗器選擇如表1所示。

表1 電力電容器串聯(lián)電抗器選擇

諧波次數(shù)n串聯(lián)電抗器電抗百分值/%選定串聯(lián)電抗器電抗百分值/%3>11.113,155>4.06,8,137>2.1>6>11>0.8>6

電力電容器串聯(lián)電抗器諧振特性如表2所示。

表2 電力電容器串聯(lián)電抗器諧振特性

串聯(lián)電抗器電抗百分值/%諧波次數(shù)n3次諧波5次諧波64.08擴(kuò)大抑制83.54擴(kuò)大抑制132.77抑制抑制

從表1、表2可以看出,電力電容器帶6%的串聯(lián)電抗器時(shí),若系統(tǒng)內(nèi)有較大的高次諧波源,電力電容器要超過最大允許電流,故在3次諧波較少的場(chǎng)合設(shè)置8%的串聯(lián)電抗器有利,而在5次諧波及3次諧波較大的場(chǎng)合要選用13%的串聯(lián)電抗器。若電力電容器使用時(shí)超過最大允許電流,則要降低電容器的額定電壓[5]。

2 電力變壓器

諧波電流(特別是3次及其倍數(shù)諧波電流)侵入三角形連接的變壓器,會(huì)在其繞組中形成環(huán)流,使繞組發(fā)熱。在Y形連接中性線接地系統(tǒng)中,侵入變壓器中性線的3次諧波電流會(huì)使中性線發(fā)熱。電力變壓器由于諧波電流使鐵心伸縮,導(dǎo)致噪聲增加,同時(shí)由于變壓器受諧波影響導(dǎo)致銅損、鐵損增加,變壓器溫度升高而容量降低。

2.1 諧波產(chǎn)生的銅損

諧波使銅損增加,其中除電阻損耗外,導(dǎo)體中的渦流損耗以及導(dǎo)體以外部分的漏磁使雜散損耗增加,導(dǎo)致變壓器線圈溫度上升。變壓器的銅損為

(2)

式中:In——額定電流;R——線圈的直流電阻;β——基波雜散損耗系數(shù);n——諧波次數(shù);m——磁滯系數(shù),取1.6～2.5。

式(2)中,第一項(xiàng)為電阻損耗,第二項(xiàng)為雜散損耗,其中包括渦流損耗。若變壓器流入諧波電流,則必須降低其額定電流。因此,在選擇變壓器額定容量時(shí)需分析電網(wǎng)中的諧波含量。

2.2 諧波導(dǎo)致的鐵損

鐵損主要由硅鋼片磁滯損耗和渦流損耗增加所致。在頻率一定的場(chǎng)合,鐵損為

(3)

式中:f——電源頻率;Bm——鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值;V——鐵心材料的體積;Kf——基波的波形率,取1.11;Ke——畸變波的波形率;K1、K2——系數(shù)。

在畸變波場(chǎng)合,鐵損為

(4)

式(3)、(4)中,第一項(xiàng)為磁滯損耗,第二項(xiàng)為渦流損耗,其比率約為0.8∶0.2。因此,即使電壓波形率變化,渦流損耗也不會(huì)有很大影響。磁滯損耗與電壓波形率成m次反比例變化,故電壓波形率變化會(huì)導(dǎo)致磁滯損耗增加。

2.3 諧波導(dǎo)致的噪聲

變壓器的振動(dòng)噪聲是由于鐵心的磁滯伸縮造成的。隨著諧波次數(shù)增加,振動(dòng)頻率在1 kHz附近的部分使混雜噪聲增加,發(fā)生金屬音的情況。對(duì)于負(fù)荷側(cè)導(dǎo)致的諧波場(chǎng)合,組裝電抗器、過濾器能減少諧波噪聲。

2.4 解決措施

變壓器設(shè)計(jì)中應(yīng)留有溫升裕量,鐵心磁通密度必須低,在選用變壓器額定容量時(shí)由于電網(wǎng)諧波的存在而留有裕量。

除上述諧波直接影響變壓器外,在變壓器負(fù)荷電流中含有3次諧波及其倍數(shù)諧波的場(chǎng)合(在中性線接地系統(tǒng)中),中性點(diǎn)諧波電流不等于0,在中性線上流經(jīng)零序電流,中性線可能過熱,所以在中性線及其出線端子的截面選擇中要考慮諧波。

3 電力電纜

電力電纜的阻抗由電阻、電感及電容組成,電阻、電感與電纜線路串聯(lián),電容與電纜線路并聯(lián),諧波對(duì)電纜線路的影響按電纜線路的參數(shù)而定。

3.1 電纜線路的電阻和電感

導(dǎo)體截面面積越大,引起的集膚效應(yīng)越大,導(dǎo)致導(dǎo)體交流電阻增大,諧波含量大,必須減小電纜的允許電流。

交流導(dǎo)體電阻為

r=r0[1+α(T1-T0)](1+λS+λP)

(5)

式中:r0——Τ0時(shí)的直流導(dǎo)體電阻;α——電阻溫度系數(shù);T0——環(huán)境溫度;T1——導(dǎo)體允許的最高溫度;λS——集膚效應(yīng)系數(shù);λP——鄰近效應(yīng)系數(shù)。

交流導(dǎo)體電感為

L=0.05μ+0.460 5lg d/R

(6)

式中:μ——導(dǎo)體磁;d——導(dǎo)體中心距;R——導(dǎo)體半徑。

交流導(dǎo)體感抗為

Xn=2πfnL×10-3

(7)

式中:n——諧波次數(shù);f——基波頻率;L——電感。

3.2 電纜線路的電容

為提高功率因數(shù),線路的電容值比電容器的電容值要小得多,無金屬鎧裝的低壓電纜的電容值更小。因此,線路受諧波的影響不大,但在線路較長時(shí)考慮諧波影響。電纜線路電容為

C=(0.024 13/lg d1/R)ε

(8)

式中:d1——絕緣體外徑;R——絕緣體電阻;ε——絕緣體介電常數(shù)。

換算至電容器容量為

Q=2πfnCu2×10-9

(9)

式中:f——基波頻率;n——諧波次數(shù);C——電容;u——電壓。

3.3 三相四線制的回路

在三相四線制的回路中,若存在3次諧波及其倍數(shù)的諧波電流,在中性線流過零序電流,連接干線電纜時(shí)必須進(jìn)行中性線的3次諧波及其倍數(shù)諧波電流的校核。

4 低壓開關(guān)設(shè)備

低壓開關(guān)設(shè)備故障種類如表3所示。低壓開關(guān)設(shè)備諧波故障原因如表4所示。

表3 低壓開關(guān)設(shè)備諧波故障

設(shè)備名稱故障種類塑殼斷路器異常發(fā)熱,誤動(dòng)作剩余電流斷路器異常發(fā)熱,誤動(dòng)作,不動(dòng)作電磁接觸器異常發(fā)熱熱繼電器端子部件異常發(fā)熱,誤動(dòng)作

表4 低壓開關(guān)設(shè)備諧波故障原因

故障種類原因異常發(fā)熱 諧波電流使接點(diǎn)線圈發(fā)熱不動(dòng)作 諧波時(shí)靈敏度電流變大誤動(dòng)作 通過負(fù)荷及電路對(duì)地電容,諧波泄漏電流(事故以外的泄漏電流)變大而發(fā)生誤動(dòng)作。

在電源回路中,諧波電流重疊發(fā)生的場(chǎng)合,可按下述情況選擇低壓開關(guān)設(shè)備,以減少諧波的危害。

(1) 塑殼斷路器。

① 全電磁型:由于鐵損增加而發(fā)熱,對(duì)電磁鐵及渦流的影響使脫扣困難,諧波次數(shù)越高影響越大。

② 熱動(dòng)電磁型:降低額定電流時(shí)使用,由于導(dǎo)體的集膚效應(yīng),鐵損增加,脫扣電流降低。

③ 電子型:降低額定電流時(shí)使用,在脫扣方式中包括有效值檢出和峰值檢出。

(2) 剩余電流斷路器:其過電流脫扣與塑殼斷路器一樣,選定額定靈敏度電流時(shí)要計(jì)入諧波泄漏電流。

(3) 電磁接觸器:降低額定電流時(shí)使用,由于磁性部件溫升加大,接點(diǎn)、線圈溫度升高,可使額定電流下降。

(4) 熱繼電器:降低額定電流時(shí)使用。

5 結(jié) 語

隨著非線性電力設(shè)備的廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)中諧波問題越來越嚴(yán)重,造成了電力設(shè)備的損壞,加速絕緣老化,影響了電子設(shè)備的正常工作。本文提出了電氣設(shè)備的諧波抑制措施和方法,希望給電氣設(shè)計(jì)人員提供參考。

[1] 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波:GB/T 14549—1993[S].

[2] 王兆安,楊君,劉進(jìn)君,等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] LEHN P W.Direct harmonic analysis of the voltage source converter[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(3):1034-1042.

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[5] 呂潤如.電力系統(tǒng)高次諧波[M].北京:中國電力出版社,1998.

Fault Analysis on Harmonic for Electrical Equipments in Building

HU Jie1, YUAN Li2

(1.Pingxiang Power Supply Company of State Grid, Pingxiang 337000, China 2.Pingxiang Mining Industry Group Co., Ltd., Pingxiang 337000, China)

Aimed at the faults that the harmonic current and voltage arouse to electrical equipment of public electrified net consumers,how the harmonic occurs was analyzed for the power capacitor,power transformer,power cable etc.And measures to reduce the fault caused by harmonic were proposed for these electrical equipments in order to satisfy the request to improve the quality of electric energy.

electrical equipment; harmonic current; public electric network; harmonic influence; harmonic restraining

胡 杰(1979—),男,工程師,從事電力系統(tǒng)諧波分析及治理方面的工作。

袁 麗(1982—),女,從事配電網(wǎng)規(guī)劃技術(shù)方面的工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)08-0034-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.009

2016-04-12